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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Miguel de Cervantes 120 Complejo Industrial Chihuahua 31109 Chihuahua, Chih. México

TEL (614)439-1100 FAX (614) 439-4884

Tesis

Que como requisito para obtener el grado de:

Maestra en Ciencia y Tecnología Ambiental

Presenta:

Ing. Claudia Karelly Romero Pérez

Director de Tesis:

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez

Chihuahua, Chih. Diciembre 2013

Simulación de un sistema de secado asistido con energía solar

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INDICE

I. RESUMEN .................................................................................................................. 6

II. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 6 II.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................ 6 II.2. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 7 II.3. ANTECEDENTES .................................................................................................. 10 II.4. ESTADO DEL ARTE............................................................................................... 11 II.5. TEMÁTICA GENERAL DE LA CARNE DE RES ............................................................ 13

II.5.1. Carne de Res ............................................................................................. 13 II.5.2. Secado de Carne ........................................................................................ 15

II.6. FUNDAMENTOS DE SECADO ................................................................................. 15 II.6.1. Curvas de secado ....................................................................................... 16 II.6.2. Clasificación de los Secadores ................................................................... 17

II.6.2.1. Secador Tipo Batch ............................................................................................................ 17 II.6.2.2. Secador Tipo Túnel ............................................................................................................ 18 II.6.2.3. Secadores por Sublimación................................................................................................ 18

II.6.3. Secado Solar .............................................................................................. 19 II.6.4. Tipología de los Secadores Solares ........................................................... 19 II.6.5. Propiedades del aire ................................................................................... 20

II.7. HIPÓTESIS .......................................................................................................... 21 II.8. OBJETIVOS ......................................................................................................... 21

II.8.1. Objetivo General ......................................................................................... 21 II.8.2. Objetivos Específicos ................................................................................. 21

III. METODOLOGÍA ................................................................................................... 22 III.1. DESARROLLO DEL SIMULADOR .............................................................................. 22

III.1.1. Definición física del sistema de secado ...................................................... 22 III.1.1.1. Sistema de captación de energía solar .............................................................................. 23

III.1.1.1.1. Colectores solares ...................................................................................................... 23 III.1.1.1.1.1. Colector solar de tubos evacuados ...................................................................... 23

III.1.1.1.2. Tanque de almacenamiento ........................................................................................ 23 III.1.1.1.3. Bomba ......................................................................................................................... 23

III.1.1.1.3.1. Control ................................................................................................................. 24 III.1.1.2. Sistema de calentamiento de aire para secado.................................................................. 24

III.1.1.2.1. Secador ....................................................................................................................... 24 III.1.1.2.1.1. Determinación de la geometría del secador ........................................................ 25 III.1.1.2.1.2. Modelo de secado................................................................................................ 28 III.1.1.2.1.3. Modelo de Evaporación de Agua ......................................................................... 30 III.1.1.2.1.4. Requerimientos para el secado de carne de res ................................................. 32 III.1.1.2.1.5. Localización geográfica ....................................................................................... 32

III.1.1.2.2. Intercambiador de calor............................................................................................... 33 III.1.1.2.2.1. Control (válvulas) ................................................................................................. 33

III.1.1.2.3. Calentador auxiliar ...................................................................................................... 33 III.1.1.2.3.1. Bomba ................................................................................................................. 33 III.1.1.2.3.2. Válvula Diversora ................................................................................................. 34

III.1.2. Simulación numérica .................................................................................. 34 III.1.2.1. EES .................................................................................................................................... 34 III.1.2.2. TRNSYS ............................................................................................................................. 34

III.1.2.2.1. Simulation Studio ........................................................................................................ 35 III.1.2.2.1.1. Integración del sistema ........................................................................................ 35

III.1.3. Comprobación ............................................................................................ 38 III.1.3.1. Climatología ....................................................................................................................... 38 III.1.3.2. Secador .............................................................................................................................. 40

III.1.3.2.1. Comportamiento del secado a temperatura ambiente ................................................ 41 III.1.3.2.2. Comportamiento del secado a temperatura de 65 ºC ................................................. 43

III.1.3.3. Comportamiento térmico del sistema de captación de energía solar ................................. 45

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III.1.3.4. Comportamiento térmico del calentador auxiliar ................................................................ 46 III.1.3.5. Comportamiento térmico del sistema de calentamiento de aire ......................................... 47 III.1.3.6. Control de flujos másicos de agua ..................................................................................... 47

III.2. ANÁLISIS PARAMÉTRICO ....................................................................................... 49 III.2.1.1. TRNEdit .............................................................................................................................. 49 III.2.1.2. Análisis del sistema mediante variación paramétrica ......................................................... 49

III.2.1.2.1. Variación paramétrica ................................................................................................. 50 III.2.1.2.1.1. Análisis de la variación paramétrica ..................................................................... 50

III.3. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................... 50 III.3.1.1. Costos de inversión ............................................................................................................ 51

III.3.1.1.1. Colectores solares ...................................................................................................... 51 III.3.1.1.2. Tanque de almacenamiento ........................................................................................ 51

III.3.1.2. Costos de operación .......................................................................................................... 52 III.3.1.2.1. Inflación ....................................................................................................................... 52 III.3.1.2.2. Costo del gas .............................................................................................................. 53 III.3.1.2.3. Aumento del precio del combustible ........................................................................... 53 III.3.1.2.4. Vida útil de los equipos ............................................................................................... 53 III.3.1.2.5. Costos a valor presente .............................................................................................. 53

III.3.2. Costo Total ................................................................................................. 54

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................. 54 IV.1. INTEGRACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS ECONÓMICO Y PARAMÉTRICO ... 54

IV.1.1. Representación gráfica de los resultados ................................................... 54 IV.1.1.1. Sistema Hibrido .............................................................................................................. 55

IV.1.2. Tablas de Resultados ................................................................................. 55 IV.1.3. Comparación gráfica de los sistemas ......................................................... 56

IV.1.3.1. Costo Total por proyecto ................................................................................................ 56 IV.1.1. Comportamiento térmico del sistema .......................................................... 56

IV.1.1.1.1. Sistema “Hibrido” ........................................................................................................ 56 IV.1.1.1.2. Sistema “Tradicional” .................................................................................................. 58 IV.1.1.1.3. Sistema hibrido conectado a modulo de secado de EES ........................................... 60

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 61

VI. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 64

VII. REFERENCIAS .................................................................................................... 65

Lista de Graficas

Gráfica 1. Tendencias de consumo de energía en el procesado de carne. ....................................... 8 Gráfica 2. Distribución de energía en procesado de carne. ................................................................ 8 Gráfica 3. Distribución de uso de energía eléctrica en el deshidratado.............................................. 9 Gráfica 4. Calentamiento de aire y enfriamiento evaporativo en tabla psicrométrica. ..................... 21 Gráfica 5. Temperatura ambiente en Chihuahua para un año típico. ............................................... 38 Gráfica 6. Humedad absoluta para un año típico.............................................................................. 38 Gráfica 7. Humedad relativa para un año típico. ............................................................................... 39 Gráfica 8. Valores de radiación solar en Chihuahua para un año típico. ......................................... 39 Gráfica 9. Valores de radiación solar en Chihuahua para dos días del mes de mayo para un año típico .................................................................................................................................................. 40 Gráfica 10. Cambio de la temperatura y humedad absoluta del aire a la entrada y salida del secador. ............................................................................................................................................. 42 Gráfica 11. Cambio de la humedad relativa a la entrada y salida del secador. ................................ 42 Gráfica 12. Integración de masa de agua evaporada en cada paso de tiempo. .............................. 43 Gráfica 13. Cambio de la temperatura y humedad absoluta del aire a la entrada y salida del secador. ............................................................................................................................................. 44 Gráfica 14. Cambio de la humedad relativa a la entrada y salida del secador. ................................ 45 Gráfica 15. Integración de la masa de agua evaporada en cada paso de tiempo. .......................... 45

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Gráfica 16. Comportamiento de la temperatura de salida en el tanque de almacenamiento. .......... 46 Gráfica 17. Comportamiento térmico en la salida del colector ......................................................... 46 Gráfica 18. Incremento de temperatura en el agua ocasionado por el calentador auxiliar. ............. 47 Gráfica 19. Comportamiento térmico del agua que proviene del calentador auxiliar ....................... 47 Gráfica 20. Comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector solar ..................... 48 Gráfica 21. Comportamiento del los flujo másicos en la válvula diversora ....................................... 48 Gráfica 22. Comportamiento en el flujo másico de agua del intercambiador ................................... 48 Gráfica 23. Regresión lineal de los costos del tanque de almacenamiento. .................................... 52 Gráfica 24. Inflación histórica de los últimos 10 años en México. .................................................... 52 Gráfica 25. Incremento histórico del Gas LP. ................................................................................... 53 Gráfica 26. Costo total para el Sistema Hibrido. ............................................................................... 55 Gráfica 27. Costos totales del sistema hibrido y del tradicional. ....................................................... 56 Gráfica 28. Comportamiento térmico del intercambiador de calor. ................................................... 57 Gráfica 29. Comportamiento térmico del termotanque y del calentador........................................... 57 Gráfica 30. Comportamiento térmico del colector durante 3 días. .................................................... 58 Gráfica 31. Comportamiento de la válvula diversora ........................................................................ 58

Lista de Tablas

Tabla 1. Propiedades de la carne de res .......................................................................................... 13 Tabla 2. Determinación de contenido de humedad de las muestras. ............................................... 14 Tabla 3. Secadores más usados para deshidratar carne. ................................................................ 20 Tabla 4. Tamaños de empresas productoras de carne seca en Chihuahua. ................................... 24 Tabla 5. Representación del tiempo en TRNSYS ............................................................................. 35 Tabla 6. Parámetros propuestos y resultados obtenidos. ................................................................. 50 Tabla 7. Parámetros a variar en el análisis ....................................................................................... 50 Tabla 8. Costo considerado para los colectores solares. ................................................................. 51 Tabla 9. Costos del tanque de almacenamiento. .............................................................................. 51 Tabla 10. Configuración óptima para el sistema hibrido. .................................................................. 55 Tabla 11. Costos del sistema hibrido ................................................................................................ 55 Tabla 12. Tiempos aproximados de secado y consumo de energía del calentador......................... 60 Tabla 13. Producción de carne. ....................................................................................................... 61 Tabla 14. Reducción de consumo de gas. ........................................................................................ 61

Lista de Figuras

Figura 1. Disposición de carne en la charola .................................................................................... 14 Figura 2. Carga del secador. ............................................................................................................. 15 Figura 3. Tipología de secadores solares. ........................................................................................ 19 Figura 4. Diagrama de los principales componentes involucrados en el sistema de secado. ......... 23 Figura 5. Factores que intervienen en el secado. ............................................................................. 25 Figura 6. El flujo de aire caliente corre constante y paralelo a la superficie de la carne de res. ..... 26 Figura 7. Valores necesarios para el cálculo del número de Biot. .................................................... 26 Figura 8. Secador Batch y disposición de carne ............................................................................... 27 Figura 9. Enfriamiento evaporativo. .................................................................................................. 30 Figura 10. Evaporación de agua. ...................................................................................................... 30 Figura 11. Flujo de aire paralelo a las charolas. ............................................................................... 31 Figura 12. Arrastre de la humedad evaporada. ................................................................................ 31 Figura 13. Última etapa en el diseño del simulador de secado ........................................................ 36 Figura 14. Configuración de simulador de secado a temperatura ambiente. ................................... 41 Figura 15. Configuración del simulador de secado a temperatura de 65 °C. ................................... 43 Figura 16. Inicio TRNDEdit ................................................................................................................ 49 Figura 17. Interfaz de TRNEdit.......................................................................................................... 49 Figura 18. Componentes involucrados en el sistema de secado a gas............................................ 59 Figura 19. Sistema Tradicional simulado en TRNSYS ..................................................................... 59 Figura 20. Temperaturas y flujos del intercambiado de calor. .......................................................... 60

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Nomenclatura

ℎ Coeficiente de transferencia de calor convectivo [W/m2 · °C]

𝐿𝑐 Longitud característica [m]

𝑘 Conductividad térmica del solido [W/m·°C]

𝑚𝑇 Masa total de la carne húmeda [kg]

𝑀% Contenido de humedad de la carne [%]

𝑚𝑤 Masa de agua en la carne [kg]

𝜌𝑀 Densidad de la carne [kg/m3]

𝑉 Volumen que ocupa la masa de carne húmeda [m3]

𝐴𝑇 Área total de la carne [m2]

𝜀𝑀 Espesor de la carne [m]

𝐴𝑀 Área ocupada por la carne [m2]

𝐴𝑇 Área total de la carne [m2]

𝐿𝑀 Longitud de los lados del área ocupada por la carne [m]

𝐴% Porcentaje del área de la charola ocupado por la carne [%]

𝐴𝑐ℎ Área de la charola [m2]

𝐿𝑐ℎ Área de la charola de acero [m2]

𝜓 Altura del secador [m]

𝑆 Alto del espacio vacío [m]

𝑛 Numero de charolas [-]

𝐴𝑡𝛼 Área transversal total del secador [m2]

𝐴𝑡𝛽 Área transversal ocupada del secador [m2]

𝜀𝑐ℎ Espesor de la charola de acero [m]

𝐴𝑡𝜆 Área transversal libre del secador [m2]

𝐴𝑠𝑢𝑝 Área superficial de la carne [m2]

𝐴𝑠𝑢𝑝𝑇 Área superficial Total de la carne [m2]

ṁ𝑣𝑎ℎ Cantidad de agua evaporada por hora [𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎

ℎ]

ṁ𝑣𝑎𝑠 Cantidad de agua evaporada por segundo [𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑠]

𝛳 Coeficiente de evaporación [𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚2·ℎ]

𝑣 Velocidad del aire [𝑚

𝑠]

𝐻1 Humedad absoluta del aire de entrada [𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒]

𝐻𝑠 Humedad absoluta en aire saturado a la misma temperatura que el agua de la superficie [𝑘𝑔𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒]

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𝑃𝑤 Presión de vapor de saturación [𝑘𝑃𝑎]

𝑃 Presión atmosférica del aire húmedo [𝑘𝑃𝑎]

ṁ𝑎 Flujo másico del aire que pasa por el secador [𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑠]

𝜌𝑎 Densidad del aire [kg/m3]

𝐻2 Humedad absoluta del aire de salida [𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒]

ɸ1 Humedad relativa de entrada [%]

ɸ2 Humedad relativa a la salida del secador [%]

𝑃𝑔 Presión de saturación [𝑘𝑃𝑎]

UA Coeficiente total de transferencia de calor [kJ/h · K]

𝐶𝑠 Calor húmedo [𝑘𝐽

𝑘𝑔 · °𝐶]

PC Costo del combustible al final del año [$]

Aux La cantidad de energía aportada por el calentador auxiliar [kJ]

Eff El porcentaje de eficiencia que le aplica al calentador auxiliar [-]

PG Es el precio del gas establecido [$]

I. Resumen

En este trabajo se presentan los resultados de la simulación de un sistema de secado de carne de res bajo las condiciones climatológicas y geográficas de la ciudad de Chihuahua. La simulación se realizó mediante el uso del software TRNSYS (Transient system simulation tool) y EES (Engineering Equation solver). El sistema es analizado para abastecer de aire a una temperatura de 65 ºC al secador bajo las condiciones climatológicas de un año típico y es sometido a la variación del número de colectores solares y la capacidad del tanque de almacenamiento. El sistema debe ser capaz de abastecer de aire caliente al secador en cualquier momento del año. Bajo este esquema se comparan dos sistemas de secado. El primero simula un sistema que usa gas para el calentamiento del aire y se compara con otro sistema que usa tanto gas como energía solar para el mismo fin. Bajo el análisis de la variación paramétrica, se obtuvieron valores de consumo energético en el calentador a gas, así como el aporte energético de los colectores solares utilizados en el sistema. Estos valores fueron analizados en base al costo del gas como costo de operación, así como el costo de los colectores solares y el tanque de almacenamiento como costo de inversión con el fin de obtener la configuración óptima para el número de colectores y capacidad del tanque de almacenamiento.

II. Introducción

II.1. Planteamiento del problema

En la región norte de la República Mexicana comúnmente se consume la carne seca de res. Este producto cárnico tiene gran demanda en el estado de Chihuahua, ya que tiene un sabor agradable, así como ventajas nutritivas, de transporte y de preservación. El

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tiempo de secado está influenciado por múltiples variables como el tipo de producto a secar, el clima de la región y el diseño del secador. El método más común de secado comercial de la carne se realiza mediante el empleo de aire caliente. Este es producido ya sea por un quemador de gas de un calentador o por una resistencia eléctrica y es empujado por la acción de un abanico o bomba de aire. El combustible que se usa normalmente para llevar a cabo el proceso de secado es el gas y en algunos casos electricidad, ambas energías no renovables, cuyo costo ha ido aumentando con respecto al tiempo, además de contribuir con el deterioro ambiental.

La producción de alimentos deshidratados tiene altos costos de producción, de los cuales el más alto se encuentra en la fase de secado, dando como resultado un producto de costo elevado. Por lo anterior es importante el contar con energía renovable en el proceso de secado con el fin de producir al menor costo, así como con el menor impacto ambiental.

II.2. Justificación

Hoy en día, la preocupación ambiental ha planteado compromisos como el Protocolo de Montreal, (2006) o el de Kioto, (1997) a favor de disminuir la generación de gases de invernadero. También el tratado de Lisboa, abarco bases jurídicas sobre el desarrollo de tecnologías energéticas en particular aquellas dedicadas a la eficiencia energética y a las energías renovables. Lo anterior como medidas para reducción del calentamiento global.

En México la preocupación por los energéticos no es diferente, ya que la creciente población del país incrementa la demanda de los mismos. Bajo esta consideración, se han optado por políticas energéticas que permitan asegurar la disponibilidad de energéticos a un menor costo, mediante un uso eficiente de los recursos y un estricto respeto por el medio ambiente. De acuerdo con la última reforma realizada en el 2012 de la “Ley orgánica de la administración pública Federal”, corresponde a la Secretaria del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) promover y difundir tecnologías y formas de uso del aprovechamiento sustentable de los recursos así como la calidad ambiental de los procesos productivos. Cabe destacar que la SENER considera la energía solar como energía limpia, ya que impulsa el crecimiento económico y social así como minimiza los efectos negativos del ambiente.

El centro de análisis de datos de uso final de energía Canadiense (CIEEDAC, 2003), reporta las tendencias de Canadá en el consumo de energía para el procesado de carne desde 1990 al 2003, donde los consumos son de gas natural y electricidad, ambas energías no renovables, tal como se muestra en la Gráfica 1.

http://oee.nrcan.gc.ca/industrial/technical-info/benchmarking/general/17838

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Gráfica 1. Tendencias de consumo de energía en el procesado de carne.

Gráfica 2. Distribución de energía en procesado de carne.

Centrándonos en el subsector de Secado-Deshidratación de alimentos, encontramos que los procesos industriales de secado tienen una fuerte incidencia en el consumo energético. Esta información es reportada por la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE), donde el análisis de las cuentas de energía está basado en 12 estudios realizados a la industria de alimentos Chilenos que fueron elaborados entre los años 2010 y 2011. La AChEE realiza un balance de energía eléctrica y térmica para el subsector de deshidratado de alimentos, tal como se muestra en la Gráfica 3.

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Gráfica 3. Distribución de uso de energía eléctrica en el deshidratado.

Gráfica 4. Distribución de uso de energía térmica en el deshidratado.

El balance de energía térmica permite identificar los equipos que consumen energía calórica, que en definitiva se traduce en consumos de combustible (que podría ser carbón, leña, combustibles, aceite N°6 u otro).

Los niveles de consumo de cárnicos son diversos debido a los hábitos y tradiciones alimentarias alrededor del planeta. Factores como la disponibilidad, los precios, los niveles socioeconómicos, las estaciones del año e inclusive religiones practicadas, son determinantes en la configuración de las respectivas dietas.

(Nuñez, et al., 2010), concluyen que los factores más relevantes relacionados con el consumo de carne de bovino en Chihuahua, son la tradición familiar, la facilidad de preparación y el precio.

La industria de los alimentos se enfrenta al constante aumento en los costos de producción incluyendo los costos de energía, esto provoca un aumento en el costo de los productos. Por lo tanto, cualquier medida encaminada a reducir los costos de producción (incluyendo costos de energía) aumentará directamente la rentabilidad y asegurara la sostenibilidad de la producción.

Actualmente, las fuentes renovables representan una alternativa con un extenso potencial para disminuir la dependencia global en el consumo de combustibles fósiles. Sus

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aplicaciones en operación han crecido hasta cubrir prácticamente todos los usos finales de la energía en el mundo.

Afortunadamente para México, la abundancia del recurso solar es una gran ventaja para la aplicación de sistemas de captación de energía solar que permitan el aprovechamiento de este valioso recurso.

Las condiciones de alta radiación diaria y poca humedad son características atmosféricas de Chihuahua favorables para hacer uso la energía solar en aplicaciones como el secado de carne. Esta aplicación se está volviendo una importante y viable alternativa ya que reduce el consumo de energía convencional de 27% a 80%. Además puede proporcionar fácilmente calentamiento a bajas temperaturas requerida para secado de alimentos (Singh & Kumar, 2012).

Debido a que la instalación de sistemas en algunos casos es basado en datos empíricos y semi-empíricos en lugar de usar diseños teóricos, se propone el uso de un simulador que permita hacer un análisis del comportamiento del sistema de secado en la localidad de Chihuahua, analizando dos panoramas de funcionamiento. Esto permitirá estudiar de manera práctica, como se desempeña el sistema, siendo asistido por colectores solares bajo las condiciones climatológicas de chihuahua y también podremos ver el impacto de la energía auxiliar (Gas) en el sistema a diferencia de que no contara con esta.

Son numerosas las ventajas de buscar una producción más limpia y menos costosa de un producto de demanda regional.

II.3. Antecedentes

El secado es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. La humanidad lo utilizo principalmente para preservar la comida, y por razones obvias era más ampliamente utilizado en países cálidos donde era posible el secado al sol.

Hace 5,000 años se sabía en Egipto que la deshidratación hacia posible la conservación del tejido muscular y de hecho se aplicó en la preservación de momias. En Jericó también se han hallado carnes desecadas y curadas en las que aún pueden distinguirse las fibras musculares.

El calor solar era la única fuente disponible de energía antes del descubrimiento del uso de la madera y la biomasa. Y aun en nuestros días, se aprovechan las ventajas de la radiación solar para secar y preservar pequeñas cantidades de comida.

Los antiguos procedimientos de deshidratación, todavía en uso en algunas regiones consistían en poner al sol tiras de carne como en el caso de la preparación del “pemmicán” por los indios norteamericanos, o bien sazonar ligeramente la carne y después desecarla exponiéndola al aire como en el caso de la preparación del “charqui” en América del Sur y del “biltong” en África del Sur. (Sharp, 1953) Ciencia de la Carne. (Talla, 2012), denominan “killishi” en los Países de Sub África.

(Talla, 2012), Menciona que el método de secado tiene efectos en las características del producto seco, tales como isotermas de adsorción y desorción, porosidad, área específica y color. También, comenta sobre la escasa o nula disponibilidad de información disponible para isoterma de sorción de la carne y cinética de secado.

(Callejas, et al., 2009), Mencionan las desventajas del secado al aire libre, tales como, daño por roedores, pájaros y animales, degradación del producto por la exposición directa a la radiación solar, la lluvia, las tormentas, el roció, contaminación por partículas y gases

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contaminantes transportados por el aire, posible agrietamiento del producto, infestación de insectos, perdida durante el almacenamiento debido a un secado ineficiente o no uniforme, etc. También trabaja el secado en una cámara de 0.6m por 0.6m y 1m de alto.

La industria de secado convencional empezó en el siglo XVIII y cerca del mismo tiempo empezó la industria de enlatados para algunos tipos de comidas, con el mismo propósito de la conservación (Belessiotis & Delyannis, 2011).

Las modernas técnicas de deshidratación por aire caliente se han aplicado en carnes teniendo cambios inevitables de textura. En los países industrializados casi toda la carne deshidratada se combina con otros productos como las sopas enlatadas (Varnam, 1995).

II.4. Estado del Arte

(Barati & Esfahani, 2013) Presenta la evaluación de temperaturas durante el secado de productos con resistencia a la transferencia de masa. Asume que la transferencia de masa es por difusión y que la transferencia de calor por conducción.

La naturaleza intermitente de la energía solar es uno de los mayores inconvenientes del secado solar. Esto se puede reducir almacenado excesos de energía durante el tiempo pico de radiación y usarlo en las horas que no hay sol disponible o simplemente cuando la energía disponible es insuficiente (Singh & Kumar, 2012).

En años recientes los secadores solares directos han sido reemplazados por mecanismos de secado solar indirecto. El Secado Solar Indirecto solo tiene la desventaja de su alto costo inicial de capital necesario para el colector, y todo el equipo auxiliar. Sin embargo, tiene múltiples ventajas; menos tiempo de secado, no hay pérdidas de producto, el periodo de operación se puede extender a todo el año y el costo de inversión inicial se puede contrarrestar con los ahorros en los costos de operación del secador (Belessiotis, 2010).

(Belessiotis, 2010), En la publicación expone un resumen general en el que describe los diferentes tipos de secadores solares, también explica los términos y ecuaciones usados para los modelos matemáticos. Al final analiza un ejercicio de psicrometría.

(Murthy, 2009), Resumen mejoras en las tecnologías de los secadores para gran variedad de alimentos y hablan de una manera práctica para calcular el desempeño de los mismos.

El secador debe tener una entrada de aire y una salida para el aire de desecho. (Bentayeb, et al., 2008) mencionan que el tipo de ventilación no tiene efecto en el periodo de secado, cuando la humedad inicial de la madera está por debajo del 40%.Sin embargo, la ventilación juega un papel importante en la homogenización de la temperatura y la humedad en el secador.

(Sogari, et al., 2007) Trabajan con la simulación de un secador de productos hortícolas solar tomando en cuenta únicamente la transferencia de calor. Comparan los resultados con secadero experimental.

(Mabrouk, et al., 2006) presenta un modelo de secador tipo túnel basado en los mecanismos de transferencia de masa y calor, el modelo es para un secador de productos granulares en camas fijas. El autor asume condiciones estables y que la transferencia de masa es controlada por difusión. Utilizo FORTRAN para resolver el sistema de ecuaciones de diferencias finitas. Realizaron comparaciones con un estudio

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experimental. El modelo fue capaz de predecir la distribución de temperaturas y la tasa de secado.

(Lhendup, 2005), En Bhutan se estudió la factibilidad técnica económica de un secadero solar usando simulación en TRNSYS. Secaron chile y carne de res en un secador solar con colectores de aire, un ventilador, intercambiador de calor y una cámara de secado. Obtuvieron mejores resultados al secar chile, también estudiaron la optimización del área del colector que diera el menor costo anual. En dicho proyecto expresan que debido a que TRNSYS no cuenta con un componente de secado, programaron un modelo en FORTRAN para calcular el tiempo de secado y el contenido de humedad en equilibrio del chile programando la ecuación propuesta por (Kaleemullah & Kailappan, 2006). Esta al igual que la mayoría de las ecuaciones que calculan estos datos requiere constantes obtenidas por medios experimentales. Estas constantes estaban disponibles para el chile, pero para la carne no se localizaron constantes publicadas en la literatura y su determinación experimental estaba fuera de los alcances de estudio. Secaron satisfactoriamente trozos de carne de 6.4 mm de espesor con humedad de 68 a 20% base húmeda utilizando 50 °C de temperatura con un tiempo de secado de 8 horas.

(Bennamoun & Belhamri, 2003) Estudian un secador solar por lotes para alimentos. En días nublados utilizan un calentador auxiliar. Describen que tiene gran influencia en el secado, el área de los colectores, la temperatura del aire y las características del producto. Registran resultados que revelan mejoras en el secado después de aumentar la temperatura del aire.

(Gudi, et al., 2002) Realizan secado experimental en secador con charolas.

Según (Maupoei, 2001), los consumos de energía utilizada en los actuales procesos de deshidratación de alimentos son muy importantes; Existen varias soluciones posibles:

Modificar los procesos y las técnicas de deshidratación actualmente utilizadas. En este sentido la “Eficacia” de los deshidratadores industriales deberá ser modificada con el objeto de buscar el máximo rendimiento energético de los mismos.

Utilización de energías alternativas. El uso de subproductos agrícolas directamente como combustible y de energía solar parecen ser las más prometedoras.

La energía de activación aumenta con el espesor del producto a secar. La elección del espesor adecuado o de los sistemas que optimicen, para un espesor dado, la transferencia de calor en el producto será un aspecto importante a considerar en el diseño del sistema de secado.

(Almada, 2005) La fundación celestina Pérez de Almada, la COSUDE y Educación UNESCO, trabajan juntos en Paraguay para combatir la pobreza y la protección del medio ambiente, desarrollando un proyecto que consiste en enseñar a pensar y actuar en defensa y recuperación del medio ambiente. Esto por medio de guías de uso de cocinas, hornos y secaderos solares.

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II.5. Temática General de la Carne de Res

II.5.1. Carne de Res

La carne tiene una composición química bastante compleja y variable en función de un gran número de factores tanto extrínsecos como intrínsecos. Por su composición la carne es considerada como un medio ideal para el crecimiento de muchos microorganismos, por lo que es clasificada entre los alimentos altamente perecederos (Girard, 1991). El secado es uno de los métodos de conservación que permiten aumentar la vida útil de este producto y comúnmente se emplea en asociación con el salado. El principio de conservación radica en que los microorganismos que causan el deterioro no pueden crecer ni multiplicarse en ausencia de agua (Belessiotis & Delyannis, 2011).

Algunos productos que son obtenidos mediante el secado son la carne seca tipo machaca y carne seca tipo botanera. Ambos platillos son tradicionales en la alimentación Mexicana y en especial en el norte del País, sin embargo actualmente presenta una creciente demanda internacional (Barbeitia, 1991).

Propiedades de la carne de res

Carne de Res

Contenido de agua % masa

Densidad kg/m3

Conductividad Térmica W/m °C

Difusividad m2/s

Calor Especifico kJ/kg °C

Magra 74 1090 0.471 0.13X10-6 3.54

Tabla 1. Propiedades de la carne de res

Termodinámica, Cengel 4ª Edición, 2003 Tabla A.3, Pág. 727

El contenido de humedad de la carne fresca es estimado en 70% base húmeda por (ITDG, 2004), mientras que (Holly, 1985) considera un 68%. (Lisse y Wack, 1998) reportaron un 80% al igual que (Fuller y Aye, 2002).

Tradicionalmente la carne se rebana en tiras y aunque no hay dimensiones estándar para las tiras, (FAO, 1990) recomienda de 20 a 70cm de largo, además de un espesor delgado. Estas son marinadas en líquido salino con condimentos y especias que a su vez imparte sabor, determinado por los ingredientes incorporados y su proporción.

Practica de Secado

Durante el estudio del secado de la carne de res, se realizó una práctica de secado. Se secaron 2 kg de carne (pulpa negra), y se cortó a un espesor muy delgado. Para determinar el contenido de humedad de la carne se tomaron 5 muestras y se colocaron en recipientes “capsulas” para ser pesados antes del secado. Una vez pesadas estas muestras, se colocan en un horno. Las muestras se dejaron en el horno de viernes a lunes y se volvieron a pesar. Por diferencia de peso se obtiene el contenido de humedad en el producto, que en el caso de las muestras fue el siguiente:

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Muestra Peso del crisol sin carne (g)

Peso de la muestra (g)

Peso del crisol con muestra

seca (g)

Contenido de humedad

en base húmeda

1 12.2253 6.1933 13.764 75%

2 12.0226 6.396 13.3897 79%

3 12.5153 5.5641 13.8545 76%

4 12.0654 5.5129 13.4289 75%

5 12.1027 6.7888 13.7293 76%

Tabla 2. Determinación de contenido de humedad de las muestras.

La carne fue rebanada a un espesor de 5 mm y se colocó buscando el mejor aprovechamiento de espacio en la charola.

Figura 1. Disposición de carne en la charola

Una vez cargada la charola se pesó y se colocó dentro del secador precalentado.

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Figura 2. Carga del secador.

II.5.2. Secado de Carne

Al momento del secado se debe tener cuidado con el control de temperaturas ya que si se mantiene la temperatura muy elevada, se forma una capa seca en la superficie de la carne que evita que la humedad interior salga. Si la temperatura es muy baja, el secado será muy lento pudiendo generar organismos patógenos que dañarán la carne y que pueden amenazar la salud de aquel que la consuma. La modificación causada por el calor se caracteriza por la dureza, fragilidad, sabor, y olor del producto deseado. Cuando el contenido acuoso es aun superior a 77%, el producto tolera durante 2 horas una temperatura del aire de 80 ºC. Sin embargo, cuando durante todo el proceso se mantiene a una temperatura de 70 ºC, la calidad del producto se mantiene a un nivel satisfactorio (Sharp, 1953). (Amiroty, 2010) comenta que en el tratamiento térmico de secado debe efectuarse inmediatamente, para limitar el crecimiento de bacterias durante el periodo crítico de la misma que es cuando está cruda. Para lograr esto, se corta finamente. Finalmente se las seca a temperaturas por debajo de los 70 °C, para evitar cocinarlas demasiado y que se quemen o quiebren fácilmente.

Los productores locales coinciden en su mayoría en temperaturas entre 60 y 70 ºC. (Thiagarajan, et al., 2006) analizo las características de secado de “Jerky” a 70 ºC. La FAO recomienda usar de 70 a 80 ºC.

II.6. Fundamentos de Secado

El secado consiste en remover el exceso de agua de un producto natural o industrial para alcanzar la especificación estándar del contenido de humedad. Reducir el contenido de humedad en la comida hasta un cierto nivel retarda la acción de enzimas, bacterias, levaduras y moho (Belessiotis & Delyannis, 2011). Esto tiene como consecuencia la reducción de peso y volumen minimizando los costos de empaque, almacenamiento y transporte, permitiendo la estabilidad en el producto (Mujumdar, 2006). Los microorganismos dejan de ser activos una vez que el contenido de humedad se reduce al 10% de su peso original (Geankoplis, 1998).

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Aunque el secado de carne es una técnica altamente desarrollada, esta origina consumos de energía considerables, así como costes de inversión y operación elevados. El secado puede hacerse mediante:

Evaporación y/o vaporización con ayuda de calor (Secado térmico mediante aire

caliente, radiación solar, etc.)

En el secado Térmico, comúnmente usa un flujo de aire que es impulsado

por convección natural o forzada, de igual forma se usa con aire

precalentado o a temperatura ambiente.

Procesos Físico- Químicos (Liofilización, osmosis, adsorción, congelación, etc.)

Extracción de agua por medios mecánicos (Presión, vibración, filtrado,

centrifugación, etc.)

En general debe notarse que los principios del fenómeno de secado son independientes del tipo de energía que se use.

El secado térmico es lo más utilizado y consiste en hacer pasar un flujo de aire sobre el material, produciendo transferencia de calor del aire al producto. Esto da lugar a la vaporización de la humedad del producto hacia el aire (Proceso simultáneo de masa y energía), debido a la humedad ganada por el aire presenta una disminución en su temperatura. Estos procesos se ocurren de manera simultánea y se identifican de la siguiente manera:

Transferencia de calor (Energía), desde el agente desecante a la superficie del producto.

Transferencia de masa (Humedad), encargada de llevar la humedad del producto

hacia la superficie y al aire de los alrededores.

Durante la transferencia de calor, la remoción de agua de la superficie del material, depende de las condiciones externas como; la temperatura, humedad del aire, flujo del aire, el área de superficie expuesta y la presión.

En el proceso de transferencia de masa, el movimiento de la humedad en el interior del sólido está en función de su naturaleza física, temperatura, y de su contenido de humedad (Mujumdar, 2006).

II.6.1. Curvas de secado

Etapa 1: Periodo de secado creciente. Es un corto periodo transitorio (normalmente despreciable), en el que se produce un calentamiento inicial del producto y la velocidad del secado aumenta.

Etapa 2: Periodo de velocidad de secado constante. El secado tiene solo lugar en la superficie, produciendo exclusivamente la evaporación de la humedad superficial. La extracción de humedad en este periodo depende principalmente de las condiciones de aire circundante y prácticamente es independiente de la naturaleza del producto. El movimiento del agua en el material es lo suficientemente rápido como para mantener las condiciones de saturación en la superficie, de manera que durante todo el intervalo el producto se encuentra saturado de humedad a una temperatura prácticamente constante y aproximadamente igual a la temperatura de bulbo húmedo. El proceso es similar a la evaporación de un líquido. (En los materiales no higroscópicos todo el proceso de secado tiene lugar en el régimen de secado constante).

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Etapa 3: Periodo de velocidad decreciente. Comienza al finalizar el periodo constante (contenido de humedad crítico del producto). La resistencia interna del material se hacer más importante, dificultando el paso de la humedad; ya no existen condiciones de saturación en la superficie y se produce la eliminación de la humedad interna. Este periodo depende fundamentalmente de la difusión de humedad interior del producto hacia la superficie, así como de la evaporación superficial. A su vez está dividido en dos estados, un primer periodo decreciente, en el que tienen lugar el secado de la superficie no saturada, y un segundo periodo decreciente en el que la difusión de humedad a la superficie se hace más lenta y es el factor determinante. En general, la duración de estos regímenes depende del contenido de humedad inicial del material.

El agua que contienen los alimentos no está incorporada de la misma forma, en algunos casos es relativamente libre, y en otros casos está muy ligado a su estructura. Según la naturaleza de unión entre el agua y la materia seca se distinguen:

Liquido adherente: forma una película sobre la superficie exterior de la materia seca.

Liquido capilar: queda retenido en la superficie interna del material.

Liquido hinchado: Forma parte integral de la fase del producto.

Otro concepto importante es el calor latente de vaporización, que se define como el requerimiento térmico para secar un producto o la cantidad de energía que tiene que absorber el producto para vaporizar su humedad.

El contenido de humedad en la carne es el factor de mayor influencia en su secado. Este puede ser en base húmeda (relación del peso del agua presente en el producto y la unidad de peso del material sin secar) o en base seca (relación del peso del agua presente en el producto y unidad de peso del material seco).

II.6.2. Clasificación de los Secadores

Se cuenta con una gran variedad de clasificaciones y divisiones de secadores, cada una corresponde a una aplicación, tamaño, energía requerida, etc. Pero de manera general se mencionan los más representativos y más utilizados para secar carne a continuación.

II.6.2.1. Secador Tipo Batch

Normalmente funcionan en régimen transitorio (cambia a través del tiempo). Está formado por una cámara metálica rectangular que contiene soportes móviles sobre los que se apoyan los bastidores. Cada bastidor lleva un cierto número de bandejas profundas en donde se coloca el material a secar. Estas bandejas van montadas una sobre otra con una separación previamente definida.

El secador de este tipo puede ser:

De flujo horizontal, si el aire circula paralelamente al lecho a secar.

De flujo transversal, si el aire circula perpendicular al lecho a secar.

Los rendimientos térmicos de este tipo de secadores suelen estar comprendidos entre el 20 y el 50%, pudiendo llegar a ser más bajo. Los secadores de bandejas son los más usados. En general se aplican cuando la capacidad necesaria no excede de 25 a 50 kg/h

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de producto seco. En ellos se puede secar prácticamente cualquier material, sin embargo, a causa de la mano de obra requerida para la carga y descarga, su operación resulta costosa para su baja capacidad de producción. No obstante, su polivalencia y la buena calidad comercial de los productos obtenidos los hace utilizables en la deshidratación de productos agrícolas tales como la carlota, espinacas, ajo, perejil, guisantes, judías verdes, champiñones, cebollas, etc. Los secaderos de bandejas pueden funcionar en régimen semi continuo.

II.6.2.2. Secador Tipo Túnel

Son semejantes a los secaderos de bandejas pero de funcionamiento continuo, para lo cual las bandejas con el producto a secar se cargan sobre carretillas que se trasladan a lo largo de un túnel de secado. Cuando se introduce una nueva carretilla, la anterior es evacuada conteniendo el producto ya seco. Los secadores de tipo túnel conservan la flexibilidad de los secaderos de bandejas en cuanto a la gama de productos que permiten deshidratar y por otro lado se adaptan a elevadas capacidades de producción con un funcionamiento prácticamente continuo. En los diseños convencionales el aire circula en flujo horizontal y paralelo a la dirección del movimiento de las carretillas, en otros casos circula transversalmente. En el primer caso se presentan dos posibilidades: flujo paralelo y flujo a contracorriente. No obstante en un mismo túnel puede haber circulación en paralelo al principio y al final en contracorriente.

II.6.2.3. Secadores por Sublimación

Los secadores por sublimación son secadores de bandejas a vació en los cuales la eliminación de la humedad tiene lugar por sublimación del vapor de agua a partir de hielo a alto vació y temperaturas por debajo de 0 °C. Se utiliza en el proceso de liofilización, que comprende dos operaciones fundamentales: congelación y sublimación.

Los liofilizadores consisten en una cámara de vacío, dotada de una bandeja donde se coloca el alimento a liofilizar y de unos calentadores para suministrar calor latente de sublimación. Para la condensación del vapor de agua generada, se dispone de serpentines refrigerantes dotados de un sistema automático de descongelación. Con esto, las bandejas se mantienen libres de hielo con el fin de mantener su capacidad de condensación. Este aspecto es muy importante ya que la mayor parte del gasto energético se emplea en la refrigeración de los condensadores, y por tanto el rendimiento de un liofilizador viene determinado por la eficiencia del condensador.

En las instalaciones discontinuas el producto se coloca en una cámara de liofilización hermética y la temperatura de calefacción de la bandeja se mantiene inicialmente a los 100-120 °C, reduciéndose posteriormente de forma granular a lo largo de la deshidratación (6-7 horas). Las condiciones adecuadas para la liofilización depende del alimento, pero su temperatura superficial no debe superara en ningún caso los 60 °C.

Los sistemas de liofilización continuos, la entrada y salida de bandejas se realizan a través de compuertas de seguridad. Las bandejas circulan colocadas entre placas calentadoras en vagonetas que se mueven a través de distintas zonas de calentamiento de una cámara que se mantiene al vacío.

Las temperaturas y el tiempo de permanencia de cada zona se programan previamente para cada alimento. Una computadora mide y controla el tiempo de liofilización, temperatura, presión en la cámara y temperatura en la superficie del producto.

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La liofilización resulta adecuada para la mayoría de alimentos pero está limitada, por lo general, para aquellos que no son adecuadamente deshidratados por otros métodos. Algunos ejemplos de alimentos liofilizados serian frutas y verduras, como las fresas, y el café. Estos empelan temperaturas bajas para evitar la descongelación del alimento durante la liofilización, y presiones menores a 4 mmHg. El tiempo de secado puede oscilar entre 7 y 24 horas.

Algunas ventajas de este método de deshidratación:

Los alimentos obtenidos por este método conservan las características organolépticas del alimento original (color, olor y sabor naturales).

La rehidratación de estos productos es más rápida que los productos secados por métodos convencionales. Sin embargo, los costos de la operación son altos, del orden de 4 veces más que el de secado tradicional.

II.6.3. Secado Solar

El secado natural ha sido usado para secar una gran variedad de productos. Sin embargo este sistema presenta limitaciones. Con el objeto de aprovechar los beneficios de la fuente solar se han realizado numerosos intentos en los últimos años para el desarrollo de los secadores solares.

Entre las ventajas que presenta el secado solar, la más destacada se basa en la energía que utiliza, es decir, una fuente de energía no contaminante, renovable y que puede utilizarse a escala local.

No obstante, el secado solar entraña un gran inconveniente: el carácter periódico de la radiación solar y la variación de la intensidad de la radiación incidente en función del tiempo. Esta circunstancia requiere una estrategia de diseño y control adecuada para posibilitar el secado efectivo. Aun así, esta dificultad puede solucionarse por ejemplo con la utilización de alguna fuente auxiliar.

Además de las ventajas medioambientales, es necesario tomar en cuenta el costo y la rentabilidad de la instalación.

II.6.4. Tipología de los Secadores Solares

Existe una gran variedad de sistemas de secado solar utilizados para los más diversos productos, englobándose dentro de los secaderos de baja temperatura.

Figura 3. Tipología de secadores solares.

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Se pueden clasificar, según la forma de circulación del aire desecante, en dos grandes grupos:

1. Sistemas solares activos o de convección forzada: incorporan elementos externos,

como ventiladores para mover el aire caliente utilizando la extracción de aire

húmedo del producto. Puede 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.

2. 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.

Los secadores más usados para deshidratar carne son los que se muestran en el cuadro siguiente:

Tabla 3. Secadores más usados para deshidratar carne.

II.6.5. Propiedades del aire

Los procesos de secado dependen en gran medida a los cambios que se producen en las propiedades del agente desecante, generalmente aire húmedo (mezcla de aire seco más vapor de agua), cuya información se encuentra organizada en las conocidas cartas psicrométricas según la Gráfica 4.

El uso de aire precalentado trae como resultado, la optimización en un proceso de secado, ya que el aumento de la temperatura mejora la capacidad de arrastre de humedad. Si el aire es precalentado, este seguirá la línea de enfriamiento adiabático y si

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idealmente el proceso continuara hasta la saturación, a éste le correspondería una humedad absoluta, lo que implicaría una extracción máxima de humedad.

Gráfica 4. Calentamiento de aire y enfriamiento evaporativo en tabla psicrométrica.

La capacidad desecante del aire depende principalmente de la humedad relativa, la cual a su vez, es una función de la temperatura. De esta forma se puede considerar que la evolución del aire en el proceso de secado es Adiabática, o sea que el sistema evoluciona sin intercambio de calor con el exterior. El producto a secar cede humedad al aire, por lo que desciende la temperatura de ambos hasta que alcanza el equilibrio correspondiente a la saturación adiabática y la humedad relativa alcanza el valor de 100%. Conseguido este límite es posible extraer más agua del producto. Además el aporte energético directo aumenta la temperatura, lo que mejora la capacidad desecante del aire como se ve en la Gráfica 4. Este sistema combinado con lo anterior, es el sistema más habitual de secado (convección forzada y aporte de energía calorífica). La convección forzada se obtiene de un abanico que alimenta un flujo másico de aire proveniente del ambiente. El abanico está conectado a un intercambiador de calor el cual provee de la temperatura y el flujo másico deseado en el secador.

II.7. Hipótesis

Es factible diseñar y optimizar un sistema de secado asistido con energía solar y evaluar su viabilidad técnica – económica, utilizando simulación dinámica.

II.8. Objetivos

II.8.1. Objetivo General

Determinar la factibilidad de acoplar un sistema de colección solar a un determinado sistema de secado para carne de res, bajo las condiciones climatológicas de Chihuahua.

II.8.2. Objetivos Específicos

-Analizar los resultados de la simulación de un sistema de secado que utiliza gas LP como fuente de energía.

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-Analizar los resultados de la simulación de un sistema de secado hibrido que utiliza gas LP y energía solar como fuentes de energía.

-Optimizar el diseño del sistema hibrido por medio de análisis paramétrico.

-Comparar la rentabilidad de ambos sistemas en función de gastos de inversión y de operación a lo largo de la vida útil de los equipos.

III. Metodología

III.1. Desarrollo del simulador

III.1.1. Definición física del sistema de secado

Se diseñó un sistema térmico solar para abastecer al secador de carne con aire caliente.

El sistema cuenta con un conjunto de colectores cuya energía captada es almacenada en

un termotanque, además cuenta con un calentador auxiliar que está conectado al

termotanque y es utilizado cuando se requiere elevar la temperatura del flujo másico del

agua en demanda. En el intercambiador de calor, el flujo másico de agua está ligado a la

demanda de flujo másico de aire. Una vez que el flujo másico de agua transfiere energía

al flujo másico de aire, el flujo másico de agua retorna al termotanque y el flujo másico de

aire caliente es llevado al secador. El sistema considera que el aire es tomado del

ambiente y que tanto la temperatura como la humedad varían a lo largo del año.

El diseño propuesto utiliza colectores solares para calentar agua y no aire, con la finalidad

de aprovechar el beneficio de almacenar el exceso de energía producido durante el día,

para poder utilizarlo durante la noche cuando existe ausencia de radiación solar. Esto se

Debe a que el agua tiene un calor especifico más alto que el aire y que es posible su

almacenamiento en un termotanque que mantiene esa energía disponible para ser

utilizada posteriormente en el proceso. En un sistema térmico solar común en el secado

se utilizan los colectores para calentar aire, sin embargo, esta energía es usualmente

utilizada cuando existe radiación solar, ya que es muy costoso su almacenamiento. De

igual forma sucede con el secado tradicional, en donde se calienta aire por medio de gas

o electricidad, no obstante, debido a que el calor específico del aire es muy bajo, es muy

poca la recuperación de energía que se podría obtener.

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Figura 4. Diagrama de los principales componentes involucrados en el sistema de secado.

III.1.1.1. Sistema de captación de energía solar

III.1.1.1.1. Colectores solares

Son dispositivos que tienen como finalidad captar la energía radiada por el sol para convertirla en energía térmica que transfieren a un fluido que circula a través del mismo. Existen varios tipos de colectores, sin embargo en este trabajo se analiza el efecto térmico de los colectores solares de tubos evacuados.

III.1.1.1.1.1. Colector solar de tubos evacuados

Estos colectores transfieren el calor con alta eficiencia mediante un cambio de fase liquido-vapor que ocurre en un tubo de calor (Heat pipe). Este tubo de cobre esta contenido dentro de dos tubos de cristal concéntricos y tiene adherida una aleta de alta absortividad que se encarga de captar la radiación solar. Esta radiación es transformada en calor y conducida al fluido contenido en el tubo de calor, en donde se lleva a cabo un ciclo de evaporación-condensación. En este ciclo, el calor solar hace evaporar al líquido y este viaja como vapor a la región sumidero, en donde se condensa y libera su calor latente. En este caso la región sumidero es un cabezal que hace la función de intercambiador de calor, por el cual circula el fluido de trabajo del colector (Kalogirou, 2009). Los colectores utilizados en este trabajo corresponden a un modelo disponible comercialmente en México.

III.1.1.1.2. Tanque de almacenamiento

El uso de un tanque de almacenamiento térmico es usualmente requerido en los sistemas térmicos solares para los periodos de tiempo cuando el recurso solar no está disponible y existe una demanda de energía. Este tanque no se encuentra presurizado y se considera lleno de agua. El agua es utilizada como medio de almacenamiento, debido a que tiene un calor especifico alto, bajo costo y no es toxico a diferencia de otras sustancias.

III.1.1.1.3. Bomba

La bomba es utilizada para mover un flujo másico de agua constante de 0.02 kg/(s m2). Este flujo proviene del tanque de almacenamiento y se hace circular por el colector solar. Después, el flujo es llevado de vuelta al tanque de almacenamiento con un aumento en su temperatura.

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III.1.1.1.3.1. Control

El encendido y apagado de la bomba depende de un control de temperaturas. Este control mide la temperatura en la salida del tanque de almacenamiento y lo compara con la temperatura en la salida del colector. Al ser mayor la temperatura del fluido en la salida del colector entonces la bomba enciende, siempre y cuando el tanque no tenga una temperatura mayor a 98 °C para evitar ebullición.

III.1.1.2. Sistema de calentamiento de aire para secado

III.1.1.2.1. Secador

Aun cuando el secador no es la parte central del proyecto, tiene un papel fundamental para el desarrollo del simulador, ya que la información de entrada y de salida del secador ayuda a formular un sistema más preciso que a su vez lleve a la obtención de resultados más exactos y reales.

Se realizó el análisis del secador para una producción a nivel local con la finalidad de proporcionar una alternativa sustentable en el mercado.

Las dimensiones del secador se ajustan a la cantidad de masa de carne a secar. Para este proyecto se utilizan 30 kg de carne como referencia, esta cantidad se fijó para una pequeña o mediana empresa en base a datos que se muestran a continuación, ver Tabla 4.

La siguiente información fue recabada para un diagnóstico de industrialización de productos cárnicos en el estado de Chihuahua y fue realizado por el (Colegio de Profesionistas con Maestria en el Estado de Chihuahua, 2001). Esta tabla muestra la relación del nivel de tecnología que dispone la empresa para secar la carne, y su producción mensual.

Tabla 4 Tamaños de empresas productoras de carne seca en Chihuahua.

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La carne a secar es pulpa negra con bajo contenido en grasa, la cual contiene un 75% base húmeda de contenido de humedad inicial y se busca obtener un 10% de contenido de humedad final. Por lo tanto, de los 30 kg iníciales de carne húmeda, una vez evaporada la humedad se obtendrán 10.5 kg de carne por lote.

III.1.1.2.1.1. Determinación de la geometría del secador

El diseño de un secador debe tomar en cuenta las características del solido a secar, esto para definir el modelo de transferencia de calor y masa que describe el secador.

Para identificar el modelo apropiado se calcula el número de Biot.

El Biot revela si el secado será controlado por factores externos o internos.

Factores internos: Son el tipo de material, espesor y contenido de humedad inicial-final del producto.

Factores externos: La intensidad solar, temperatura del aire, humedad relativa y velocidad de circulación del aire, etc.

La velocidad del secado, ya sea por convección natural o forzada, depende de los factores internos y externos.

Numero de Biot (Bi)

Es la razón de la resistencia interna de un cuerpo a la conducción de calor con respecto a su resistencia externa a la convección de calor. Es un numero adimensional utilizado en el análisis de sistemas concentrados. El Bi es de gran ayuda en la simplificación de cálculos, ya que determina los mecanismos que controlan el proceso de secado. Esta variable es de gran importancia para seleccionar el modelo de secado. (Giner, et al., 2010)

Numero de Biot (Bi) =h ∗ Lc

k=

Conveccion en la superficie del cuerpo

Conduccion dentro del cuerpo

Ecuación 1. Biot.

Lc =Volumen del Solido

Area superficial del solido

Ecuación 2. Longitud característica.

(Transferencia de calor de Cengel 2°Edicion Página 210)

El modelo se elige de acuerdo al resultado obtenido:

Bi < 1 Controlado por factores externos (Convección).

Bi > 1 Controlado por factores internos (Conducción).

Figura 5. Factores que intervienen en el secado.

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El primer dato necesario para el cálculo es el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h), el cual se determinada según describe la Figura 7 bajo ciertas asunciones.

Suposición de placa plana para cálculo del coeficiente de transferencia de calor convectivo (h). Esto debido a que se vuelve un cálculo complicado el tomar en cuenta cada trozo de carne, ya que cada uno de ellos tiene una dimensión diferente, por lo que se decidió suponer la carne como una sola pieza de material homogéneo extendida y con un espesor uniforme. Se desprecian las aéreas de los cortes laterales de cada trozo de carne.

El flujo del aire caliente corre constante y paralelo a la superficie de la carne de res.

Figura 6. El flujo de aire caliente corre constante y paralelo a la superficie de la carne de res.

Figura 7. Valores necesarios para el cálculo del número de Biot.

Numero de Biot

Longitud

Caracteristica

Volumen de la carne

Area Superficial

Conductividad Termica de la carne de res magra-Tablas

Coeficiente de Tranferencia de Calor

Convectivo "h"

Numero de Nusselt

Reynolds

Velocidad del aire

Viscocidad cinematica-Tablas

Longitud de la superficial

Prandtl-Tablas

Conductividad Termica del aire-

Tablas

Longitud de la superficie

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El número de Biot obtenido fue menor a 0.1, por lo tanto el modelo a seleccionar corresponde al que presenta poca resistencia a la conducción de calor. El Modelo a seguir es aquel en el que el mecanismo de secado será en su mayoría regido por los factores externos. Esto se debe a que a pesar de que la carne es un producto que tiene un alto porcentaje de humedad contenida entre los tejidos, si se corta en trozos de la mayor área superficial posible y con un espesor delgado, se obtendrá mayor área de arrastre de humedad y el fino espesor facilitará la evaporación del agua que se encuentra en los tejidos. Esto es reducir la resistencia a la conducción de calor por medio de ajustes de los factores internos propios del producto. De igual manera, los factores externos al producto tienen un papel importante, como la temperatura adecuada a la que debe presentarse el aire, la velocidad del aire y la humedad relativa en el proceso.

El análisis anterior nos permite seleccionar la configuración más adecuada para nuestro producto y para el secado. Tomando en cuenta que el secador está dirigido a la producción de una micro o mediana empresa, se busca una configuración económica y efectiva para el secado de la carne.

Hasta hoy son pocas las empresas que manejan el secado de carne a gran escala y la mayoría de las de pequeña escala son del tipo casero o semi-industrial. El poder controlar un proceso de secado requiere del conocimiento del comportamiento del sistema bajo las condiciones específicas del material a secar (Barbeitia, 1991).

Entre las configuraciones recomendadas por la literatura (Mujumdar, 2006), el secador más indicado es el de tipo “Batch”. Como ya se mencionó anteriormente, esta configuración tiene múltiples ventajas y permite secar gran variedad de productos por ser un secador muy flexible y sencillo.

Disposición y cantidad de producto a secar

El secador Batch es básicamente una cámara que tiene charolas desmontables para su carga y descarga. Las charolas son delgadas y de acero inoxidable, perforadas para contar con mayor área superficial de secado. Las charolas tienen una separación, entre ellas por donde corre el aire de manera paralela a la superficie del producto. Al interior del secador se le denomina cámara de secado.

Para cumplir con los parámetros necesarios de nuestro modelo, la disposición de producto se supone como se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Secador Batch y disposición de carne

Carne a secar

Charola perforada

Vista lateral del secador

Vista isométrica del secado

Espesor de la carne

Espesor de la charola

Altura del secador

Espacio entre las charolas

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El producto se supone como una sola pieza de carne homogénea con el mismo espesor. Como ya se menciono fue una simplificación donde se despreciaron las áreas de los bordes de cada trozo de carne que en la realidad son de tamaño irregular. De esta manera la distribución de carne en la charola se supone uniforme. Esta va de acuerdo con la cantidad de carne a secar, así como al número y área de las charolas.

III.1.1.2.1.2. Modelo de secado

Para el diseño del secador se tomó en cuenta la geometría básica del Batch. Partiendo de la cantidad de masa húmeda a secar. La carne tiene determinado contenido de humedad, debido a que la masa de la carne se constituye de carne seca y de agua.

mw = mT ∗ M% Ecuación 3. Masa de agua.

Se calculó el volumen por medio de la masa y de la densidad de la carne húmeda.

V =mT

𝜌M

Ecuación 4. Volumen de la carne.

Debido a que la carne es una materia de rápida descomposición es necesario que sus cortes sean delgados para lograr un secado más rápido. (Ryoba, et al., 2013), describen resultados experimentales sobre la influencia del espesor y la disposición de los materiales a secar en el tiempo de secado.

Sabiendo esto, hemos definido un espesor para el corte de la carne, de acuerdo con los criterios mencionados y a los análisis de BIOT de secado por factores externos.

Una vez definido un espesor es posible calcular el área ocupada por la carne.

AT =V

εM

Ecuación 5. Área ocupada por la carne.

Las charolas pueden ser cuadradas o rectangulares, con una superficie de 0.37 a 0.75 m2/charola y se fabrican de cualquier material que sea compatible con las condiciones de corrosión y temperatura prevalecientes (Vernon, 2007).

El secador Batch, usa charolas delgadas donde se dispone el material, en este secador se suponen charolas de acero ya que es el recomendado por la literatura para alimentos. Estas charolas de delgado espesor están perforadas para lograr la convección en la mayor área superficial posible. El número de charolas depende de la capacidad deseada en el secador y el espacio que ocupa en sí. La literatura tiene en común un número de 9-10 charolas para el secado de carne. Los trozos de carne son de tamaños irregulares, por lo que para el cálculo tomaremos como área ocupada de la carne un 90% del área de la charola, esto para suponer los espacios libres entre los trozos de carne dispuestos en la charola. Para obtener el área que será ocupada por la carne en la charola se tiene la Ecuación 6.

AM = AT/n Ecuación 6. Área ocupada por la carne por charola.

En este modelo utilizaremos charolas cuadradas, de esta manera los lados del área de la carne serán iguales A=LadoXLado.

29

LM = √AM Ecuación 7. Lados de la carne.

Ahora, para obtener el valor del área y los lados que corresponden a la charola de acero se tiene la Ecuación 8.

Ach =AM

A%

Ecuación 8. Área de la charola.

Lch = √Ach Ecuación 9. Lados de la charola.

La altura del secador incluye espacios vacíos entre las charolas. Se suman las distancias de estos espacios vacíos más los espesores de la carne y de las charolas de acero.

ψ = (εM

+εch) ∗ n + S ∗ (n + 1) Ecuación 10. Altura del secador.

Es necesario obtener el área transversal libre por la que pasa la corriente de aire. Esta se obtiene restando el área transversal total del secador menos el área transversal ocupada por las charolas y la carne.

Atα = ψ ∗ Lch Ecuación 11. Área transversal total del secador.

Atβ = (εM

+εch) ∗ n ∗ Lch Ecuación 12. Área transversal del secador ocupada.

Atλ = Atα − Atβ Ecuación 13. Área transversal del secador libre.

El área superficial total de la carne, se toma de la siguiente manera; Área de la carne que tendrá contacto con el aire. Cada trozo de carne tiene un espesor muy delgado por lo que las áreas superficiales de los contornos serán despreciadas y únicamente tomaremos el área de las dos caras del trozo de carne considerando de igual forma que el área no perforada de la charola es despreciable.

Asup=2 ∗ LM ∗ LM + 2 ∗εM ∗ LM ∗ LM + 2 ∗εM ∗ LM ∗ LM Ecuación 14. Área superficial de la carne por espesores despreciables.

εM → 0

Asup = 2 ∗ LM ∗ LM Ecuación 15. Área superficial de la carne.

AsupT = Asup ∗ n Ecuación 16. Área superficial de la carne total.

30

III.1.1.2.1.3. Modelo de Evaporación de Agua

En la cámara de secado se pretende secar la mayor cantidad de agua posible en la carne. El proceso más sencillo para evaporar agua está basado en la saturación adiabática. Este proceso es utilizado en sistemas de enfriamiento evaporativo convencionales.

(Tang & Etzion, 2004) Menciona las diversas expresiones experimentales y teóricas para predecir la tasa de evaporación de agua libre en las superficies hacia el ambiente. Algunas de esas expresiones incluyen no solo los efectos de la corriente del aire sobre la superficie mojada, sino también la diferencia de la temperatura entre la superficie mojada y la temperatura del aire.

Figura 9. Enfriamiento evaporativo.

La evaporación del agua que se encuentra en la superficie de la carne, depende de la temperatura del agua de la carne, temperatura del aire, humedad actual del aire y la velocidad con la que pasa el aire sobre la superficie de la carne.

Figura 10. Evaporación de agua.

Cantidad de agua evaporada

Esta se expresa de la siguiente manera:

ṁ𝑣𝑎ℎ = 𝛳 ∗ 𝐴𝑠𝑢𝑝𝑇 ∗ (𝐻𝑠 − 𝐻1) Ecuación 17. Cantidad de agua evaporada por hora.

𝛳 = (25 + 19 ∗ 𝑣) Ecuación 18.Coeficiente de evaporación.

𝐻𝑠 =0.62198 ∗ 𝑃𝑤𝑠

𝑃 − 𝑃𝑤𝑠

Ecuación 19. Humedad absoluta en aire saturado.

Velocidad del aire

Temperatura del aire

Humedad del aire

Agua Evaporada

31

Nota: las unidades para el coeficiente de evaporación no concuerdan ya que es una ecuación empírica (resultado de un experimento).

La máxima cantidad de vapor de agua que puede contener el aire es alcanzado cuando

Pw = Pws

Como ya se establecieron las dimensiones, entonces se obtienen las áreas. El secador consta de una cámara de secado con charolas perforadas tipo estantería y se considera una cámara adiabática a la que le entra un flujo de aire caliente paralelo a las charolas. El flujo másico del aire es calculado por medio de su densidad, la velocidad del viento y el área transversal libre de la cámara de secado Figura 11 y Figura 12.

ṁ𝑎 = ρa ∗ 𝑣 ∗ 𝐴𝑡𝜆 Ecuación 20. Flujo másico del aire.

Figura 11. Flujo de aire paralelo a las charolas.

Figura 12. Arrastre de la humedad evaporada.

Los valores de entrada son la temperatura de bulbo seco y húmedo, la humedad del aire y la densidad del aire. Sin embargo, la transferencia de masa y energía que ocurren dentro de la cámara de secado son representados por un modelo de evaporación de agua de la superficie de la carne. Los valores de salida son determinados por medio de los siguientes balances:

Balance de masa ṁa1 = ṁa2 = ṁa Ecuación 21. Flujo másico del aire seco.

𝐻𝑠

𝐻1 ɸ1

𝑇1

𝐻2 ɸ2

𝑇2

ṁ𝑎

ṁ𝑎

ṁ𝑣𝑎ℎ

32

ṁa ∗ H1 + ṁvah = ṁa ∗ H2 Ecuación 22. Flujo másico del vapor de agua en el aire.

H2 = H1 +ṁvah

ṁa Ecuación 23. Humedad absoluta del aire de salida.

Referencia Kuehn Pág. 182 ecuación 8.13

Referencia Termodinámica, Cengel 4° Edición pág. 654

Balance de energía

Cs ∗ (T1 − T2) = (H1 − H2) ∗ hfg

Ecuación 24. Balance para temperatura de saturación adiabática.

T2 = T1 −(H1 − H2) ∗ hfg

CS

Ecuación 25. Temperatura del aire a la salida del secador.

Referencia Geankoplis pág. 590 Ecuación 9.3-1

La humedad relativa de salida del secador se determinó por medio de su relación con la presión de saturación:

ɸ2 =H2 ∗ P

(0.622 + H2) ∗ Pg

Ecuación 26. Humedad relativa a la salida del secador.

Pg = Psat@T2

Ecuación 27. Presión de saturación.

Referencia Termodinámica, Cengel 4° Edición pág. 671 Ecuación 2.48

III.1.1.2.1.4. Requerimientos para el secado de carne de res

La carne que comúnmente se usa para el secado es la carne de res conocida como pulpa

negra. Esta es secada a una temperatura entre 60 y 70 ºC con una velocidad de aire que

varía desde la convección natural, hasta unos 5 m/s. Sin embargo para este trabajo

utilizaremos 0.1 m/s ya que debido a la temperatura, el secador funciona como horno

evaporando de manera eficiente la humedad, y desechando el aire húmedo por el flujo de

aire.

III.1.1.2.1.5. Localización geográfica

El sistema de secado se simula para las condiciones climáticas de la ciudad de

Chihuahua, Chihuahua, México. Esta localización presenta una combinación de factores

geográficos, como su topografía, altitud y latitud que provocan condiciones climáticas

severas en el invierno con temperaturas que van desde los -17 °C por la noche, hasta los

20 °C durante el día. Estas condiciones se deben en gran parte a la altitud sobre el nivel

del mar y a la baja humedad del aire. La humedad tiende a atrapar la radiación infrarroja

emitida por la superficie terrestre, por lo tanto en ausencia de humedad, esta radiación

33

tiende a perderse hacia la atmósfera, enfriándose tanto la superficie como el aire del

medio circundante (Martin, 2004).

Bomba de aire

Este permite mantener una corriente de flujo constante de aire hacia el intercambiador de calor agua-aire. La densidad del aire se tomó como 1.2 kg/m. La corriente de flujo de aire es introducida en kg/h. La bomba de aire toma la información atmosférica (temperatura de bulbo seco) proveniente del generador de clima. El ventilador es capaz de entregar características del aire como temperatura, flujo, presión, humedad relativa y absoluta, además de características del ventilador como la energía consumida, transferida al aire y transferida al ambiente. Este dispositivo se enciende y apaga de acuerdo a la señal que le llega del controlador de flujos del subsistema de destilación.

III.1.1.2.2. Intercambiador de calor

Un intercambiador de calor es el dispositivo que realiza el proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida. Sus aplicaciones específicas son en calefacción, aire acondicionado, producción de energía, recuperación de calor residual y procesamiento químico (Incropera, 1999). En este caso, será el encargado de proveer aire caliente al sistema de secado.

Debido a que el objetivo es calentar aire por medio de agua el Intercambiador de calor más adecuado según la literatura es una clase especial que se utiliza para lograr una muy grande superficie de transferencia de calor por unidad de volumen. Estos son denominados intercambiadores de calor compactos. Estos dispositivos tienen matrices densas de tubos con aletas o placas y se usan normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y por lo tanto se caracterizan por un pequeño coeficiente de convección. Los tubos pueden ser planos o circulares y su flujo es usualmente laminar.

III.1.1.2.2.1. Control (válvulas)

Este control mantiene la temperatura del aire a la salida del intercambiador de calor, y lo hace regulando el flujo másico del agua según requiera mayor o menor flujo másico a través del intercambiador de calor.

III.1.1.2.3. Calentador auxiliar

En el sistema propuesto es necesario contar con un equipo de respaldo el cual tenga la capacidad de elevar la temperatura del flujo másico del fluido en caso de ser necesario. El calentador auxiliar se comporta como un calentador de paso que es provisto de un flujo másico de agua que proviene del tanque de almacenamiento. Dentro de este calentador el fluido recorre un serpentín que es calentado por una flama producida por la combustión de Gas LP. De esta manera se da un intercambio de calor entre el serpentín y el fluido, provocándole un aumento en su temperatura.

III.1.1.2.3.1. Bomba

Se utiliza una bomba que es la encargada de mover flujos de agua a una sola velocidad. Bombea el flujo que sale del intercambiador de calor y lo lleva al termotanque.

34

III.1.1.2.3.2. Válvula diversora

La válvula es controlada a través de una señal de entrada que hace mandar mayor cantidad de flujo másico de agua caliente al intercambiador de calor o a la válvula mezclado. La señal busca mantener cierta temperatura establecida en la salida del aire, y esta se logra regulando los flujos por medio de las válvulas.

III.1.2. Simulación numérica

La variabilidad natural de los parámetros que influyen en el comportamiento del sistema asistido con energía solar, tales como son la temperatura ambiente y la irradiación solar disponible, hacen necesaria la utilización de herramientas de cómputo especializadas para simular el comportamiento térmico de los sistemas sobre periodos extendidos de tiempo. La simulación numérica es una herramienta que permite predecir el comportamiento de estos fenómenos físicos que se presentan comúnmente en el área de ingeniería, sin necesidad de recurrir a la experimentación.

La simulación de sistemas, ha tenido gran aceptación como herramienta de análisis de energía en diferentes aplicaciones. Gracias a la simulación es posible hacer una análisis y evaluación de los requerimientos de energía del sistema propuesto aun en la etapa de diseño, pero también puede ser utilizada para explorar ahorros potenciales.(Stoecker, 1989).

III.1.2.1. EES

EES Engineering Equation Solver es un programa comercial que usa un sistema de soluciones de ecuaciones no lineales simultáneas. Este es muy útil en aplicaciones de Termodinámica y Transferencia de calor. Contiene funciones ecuaciones y diversas propiedades termodinámicas de fluidos, gases, etc.

El programa EES será utilizado para describir el módulo de un comportamiento de un secador y este será conectado a TRNSYS para simular el sistema de secado.

Además este es compatible con TRNSYS.

III.1.2.2. TRNSYS

TRNSYS 16 es un programa de simulación dinámica de sistemas del campo de ingeniería y de las energías renovables, que ayuda a optimizar la eficiencia tanto térmica como económica de diferentes sistemas. Este es un software comercial desarrollado en la

35

Universidad de Wisconsin. El programa contiene modelos de una gran variedad de componentes o modelos con los que simula su comportamiento. En él, es posible conectar entre si los modelos de los componentes y obtener el comportamiento del sistema completo de manera transitoria.

Este programa puede realizar cálculos en espacios de tiempo programados por el usuario y una manera de visualizar resultados es por medio de graficas que expresa en función del tiempo (horas). También es importante mencionar que las estaciones, meses y horarios están representados por horas acumuladas como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4. Representación del tiempo en TRNSYS

III.1.2.2.1. Simulation Studio

Simulation Studio es un paquete adjunto a TRNSYS que contiene módulos con interfaces gráficas las cuales pueden ser utilizadas para el diseño de un proyecto, así como su simulación dinámica. Los módulos, mejor conocidos en TRNSYS como Types, son el resultado de la integración matemática de un dispositivo o maquina al lenguaje de programación Fortran. Con esto se han incorporado modelos matemáticos a una biblioteca contenida en Simulation Studio de dispositivos tales como bombas, válvulas, colectores solares, tanques, entre muchos otros.

III.1.2.2.1.1. Integración del sistema

En simulation studio se utiliza un tablero de trabajo para el diseño del sistema térmico en

donde se visualizan los componentes involucrados. Cada uno de estos componentes es

estudiado y configurado con la información técnica adecuada para su correcta integración

en el sistema.

36

En la Figura 13, podemos ver que se requirió de la integración de varios módulos para obtener el sistema de captación de energía solar y de calentamiento de aire. En este sistema están integrados todos los componentes necesarios para proveer aire caliente a secador. Es importante mencionar que el módulo de secado no se encuentra en esta simulación, debido a que TRNSYS no cuenta con un módulo de secado. Sin embargo, la simulación del sistema provee los requerimientos necesarios para el proceso de secado. Además, como información complementaria a la simulación del sistema de secado, se realiza la simulación del secador en el software EES.

Figura 13. Última etapa en el diseño del simulador de secado

Como se puede observar en la Figura 13, se requirió de la integración de un gran número de módulos para elaborar el sistema de captación de energía solar, así como el sistema de calentamiento de aire.

Los “Types” presentados en la Tabla fueron estudiados, configurados e integrados a la

hoja de trabajo para la simulación del sistema propuesto.

Type Nombre Icono Descripción

Type 109-

TMY2 Procesador de datos

de clima

Este componente lee la información climatología de una base de datos, además de procesar la radiación solar para la ciudad de Chihuahua.

Type 33 Propiedades psicrométricas

Este componente se utiliza como una carta psicrométrica para la información climatológica provista en un instante.

37

Type Nombre Icono Descripción

Type 71 Tubos evacuados

Este componente modela el comportamiento térmico de un colector solar de tubos evacuados de la marca Apricus, Modelo AP-30.

Type 4a Termotanque

Modela el comportamiento térmico de un tanque de almacenamiento lleno de fluido y que está sujeto a estratificación térmica.

Type 3b Bomba de 1

velocidad

Modela el comportamiento de una bomba que maneja un flujo másico en base a la señal de control que está entre 0 y 1.

Type 2b Controlador diferencial

Este componente genera una función de control que tiene un valor de 0 o 1 en base una diferencia de temperaturas.

Type 6 Calentador auxiliar

Este componente modela el comportamiento térmico de un calentador que agrega calor al flujo másico de un fluido. Su capacidad está basado en el calentador de paso marca American Water Heaters, modelo GT-520-PIH.

Type 11f Válvula diversora

Modela el comportamiento de una válvula que divide el flujo másico de un líquido en dos partes según se le especifique.

Type11h Válvula mezcladora

Modela el comportamiento de una válvula en T con dos entradas de líquido que se mezclan en un solo flujo másico.

Type 5e Intercambiador de

calor de flujo cruzado

Modela el comportamiento de un intercambiador de flujo cruzado un lado caliente y un lado frio y los flujos no se mezclan, dados los lados caliente y frio y una UA se da la efectividad del mismo.

Type 22 Controlador iterativo

Este componente calcula una señal (u) requerida para mantener controlada una variable (y) bajo un valor establecido (yset)

Type

112a Ventilar de una sola

velocidad

Modela un ventilador de una sola velocidad a un flujo másico constante.

Type 66a Interface TRNSYS-

EES

Modulo usado para llamar componentes escritos en EES desde TRNSYS simulation.

Type 65d Impresora de

valores

Este componente es utilizado para mostrar variables del sistema definidas, mientras que la simulación es procesada.

Type 25c Impresora de valores

Este componente es utilizado para reportar las variables del sistema que son requeridas para un intervalo de tiempo definido.

Type 24 Integrador

Este componente integra series de cantidades a lo largo de periodo de tiempo.

Type 55 Integrador periódico

Este componente calcula la media de un valor sobre un periodo de tiempo especificado.

Ecuaciones

En este componente se programan ecuaciones que pueden estar en función de las salidas de otros componentes, valores numéricos u otras ecuaciones previamente definidas. Los resultados de las ecuaciones también pueden ser los valores de entrada en otros componentes, usados como parámetros o como valores iníciales.

Tabla 2. Módulos (Types) utilizados para la simulación del proyecto en Simulation Studio.

38

III.1.3. Comprobación

La comprobación del sistema se realizó durante la elaboración del proyecto mediante la

evaluación de los resultados entregados por la simulación en forma de pantallas gráficas.

III.1.3.1. Climatología

En la Grafica 5, se muestra la temperatura de un año típico en la ciudad de Chihuahua.

En rojo la temperatura de bulbo seco y en azul la temperatura de bulbo húmedo. Un año

típico se describe en un total de 8760 horas.

Gráfica 5. Temperatura ambiente en Chihuahua para un año típico.

En la Gráfica 6, se observa en color rojo el comportamiento de la humedad absoluta en un año típico. La humedad en el aire aumenta durante la temporada de lluvias en Chihuahua, que son los meses de junio a octubre, con mayores concentraciones en julio y agosto.

Gráfica 6. Humedad absoluta para un año típico.

ene. feb. mar. abr. may. jun. jul. ago. sept. oct. nov. dic.

Temperatura de bulbo seco

Temperatura de bulbo húmedo

Las temperaturas más altas se registran en primavera y verano

Los meses de verano son los más húmedos

Humedad absoluta

ene. feb. mar. abr. may. jun. jul. ago. sept. oct. nov. dic.

39

En la Gráfica 7, la línea de color azul muestra el comportamiento de la humedad relativa a lo largo de un año típico, con una baja notable del valor entre marzo y junio, esto debido a que durante estos meses la temperatura ambiente es alta y la humedad absoluta también es baja, dando como resultado una humedad relativa baja.

Gráfica 7. Humedad relativa para un año típico.

Así mismo, se monitorearon la variable de radiación solar en una superficie horizontal. En la Gráfica 8 se puede observar en color azul los valores para la radiación solar que incide sobre una superficie horizontal en (kJ/hr-m2). El valor de la radiación es empalmado con la temperatura ambiente para ver su comportamiento va de acuerdo a la radiación solar. La Gráfica 9 representa los mismos valores durante dos días de mayo.

Gráfica 8. Valores de radiación solar en Chihuahua para un año típico.

En los meses de primavera hay una baja en la humedad relativa

Humedad relativa

Radiación solar Temperatura ambiente

ene. feb. mar. abr. may. jun. jul. ago. sept. oct. nov. dic.

40

Gráfica 9. Valores de radiación solar en Chihuahua para dos días del mes de mayo para un año típico

III.1.3.2. Secador

El secado se llevó a cabo dentro del concepto de evaporación del contenido de humedad de la carne con lo que se realizó una simulación a temperatura ambiente y otra simulación usando la temperatura promedio de 65 °C.

La temperatura y la velocidad del aire son constantes mientras que la humedad del aire y la temperatura ambiental son transitorias, por lo que cambia la energía demandada para el calentamiento y evaporación.

La temperatura es mantenida por el intercambiador de calor y el flujo del aire por un ventilador que trabaja a una sola velocidad. La información de temperatura ambiente, humedad relativa, humedad absoluta y densidad del aire son obtenidos de TRNSYS. Estos corresponden a información de clima de Chihuahua durante el día 1 y 2 de enero de un año típico con pasos de tiempo de 15 minutos. Sin embargo, estas mismas corridas realizadas en otra estación del año, proporcionaran diferentes tiempos de secado.

El contenido de humedad inicial en el producto es de 74% y debido a que al final conserva un 10% de humedad, esta se descuenta de la cantidad de masa de agua que se evaporara.

Es importante mencionar que la simulación del secador proporciona de acuerdo a las dimensiones y masa del producto a secar las condiciones del aire antes de entrar al secador y las condiciones del aire al salir del secador.

Temperatura ambiente

Radiación solar

41

III.1.3.2.1. Comportamiento del secado a temperatura ambiente

Figura 14. Configuración de simulador de secado a temperatura ambiente.

En la Gráfica 10, podemos distinguir las temperaturas (˚C) del aire a la entrada y salida del secador en color rojo y rosa respectivamente. La temperatura del aire ambiente en color rojo describe el cambio de la temperatura a lo largo de dos días, con sus altas y bajas en el día y la noche. En color rosa se muestra que la temperatura del aire a la salida del secador es más baja debido al enfriamiento evaporativo que sufre el aire una vez que gana humedad. Estas temperaturas se igualan una vez que no hay más humedad que retirar.

Las humedades absolutas (kg de agua/kg de aire seco) del aire de entrada y salida se muestran en color naranja y verde respectivamente. La humedad de entrada es muy baja, sin embargo después de pasar por el secador el aire, ésta adquiere la humedad que se evapora por lo que aumenta como se observa en color verde. Se puede apreciar que durante las horas de sol en las cuales existe mayor temperatura ambiente, son las horas que tienen más arrastre de humedad debido a la influencia de la temperatura, como se explica con anterioridad en las propiedades del aire. Al igual que ocurrió con las temperaturas, una vez que no existe más evaporación, las humedades de entrada y salida se igualan.

Finalmente en color azul se muestra la temperatura de bulbo húmedo en la superficie del producto.

42

Gráfica 10. Cambio de la temperatura y humedad absoluta del aire a la entrada y salida del secador.

En la Gráfica 11, se monitorea la humedad absoluta. En color rojo se muestra la humedad relativa antes de entrar al secador, esta humedad sube y baja de acuerdo a la humedad y temperatura del aire. Como se puede ver en los horarios de radiación, la humedad relativa baja por el aumento de temperatura en el aire y por el contrario en color azul la humedad relativa de salida aumenta por el enfriamiento del aire y la ganancia de humedad.

Gráfica 11. Cambio de la humedad relativa a la entrada y salida del secador.

En la Gráfica 12, la línea color rojo representa la cantidad de masa evaporada en cada paso de tiempo de la simulación. Los valores son integrados en TRNSYS hasta que se detecta que ya se evaporo el contenido de humedad deseado. En este caso se puede observar que la línea roja deja de acumular masa de agua después de 37 horas continuas de secado y que no presenta un crecimiento continuo por los cambios de temperatura.

Humedad absoluta de entrada

Humedad absoluta de salida

Temperatura ambiente

Humedad relativa

en la entrada

Humedad relativa en la salida

Fin de secado del lote

Fin de secado del lote

Radiación Solar

43

Gráfica 12. Integración de masa de agua evaporada en cada paso de tiempo.

Tomando en cuenta estos resultados respecto al tiempo de residencia del producto en el secador y en base a la información documentada sobre el secado de carne, sobre la sensibilidad de la carne a la descomposición por tiempos prolongados de secado, descartaremos utilizar la temperatura ambiente para secar en este proceso.

III.1.3.2.2. Comportamiento del secado a temperatura de 65 ºC

Figura 15. Configuración del simulador de secado a temperatura de 65 °C.

Fin de secado del lote

Integración de masa de agua evaporada

44

Se utilizó una temperatura de 65 °C, ya que las temperaturas recomendadas para el secado de carne van de 60 a 70 °C, por lo que se promedió la temperatura.

En la Gráfica 13, se muestra una corrida con una duración de 5 horas, esto debido a que se utilizó la temperatura de entrada constante al secador de 65 °C como se ve en color amarillo, acortando la residencia del producto en el secador. En color rojo esta la temperatura ambiente que se encuentra fuera del secador. En color azul se observa la temperatura de bulbo húmedo y en color rosa la temperatura del aire a la salida del secador que deja de enfriarse cuando ya no hay humedad que evaporar. En color verde encontramos la humedad absoluta del ambiente a la entrada del secador y en color azul cielo la humedad absoluta a la salida del secador con un aumento notable de humedad. En esta ocasión, los cambios en las variables no son tan obvios ya que el periodo de tiempo es más corto.

Gráfica 13. Cambio de la temperatura y humedad absoluta del aire a la entrada y salida del secador.

En la Gráfica 14, la línea color rojo que corresponde a la humedad relativa fuera del secador es casi constante por el corto periodo de tiempo, al igual que la humedad relativa a la salida del secador que se muestra en color azul, sin embargo ésta sufre un aumento por el enfriamiento evaporativo y ganancia de humedad.

Humedad absoluta de salida

Humedad absoluta de entrada

Temperatura del aire

en el secador

Temperatura del aire a la salida del secador

Fin de secado del lote

45

Gráfica 14. Cambio de la humedad relativa a la entrada y salida del secador.

En la Gráfica 15, se observa la integración de la masa de agua evaporada que describe una línea constante. Esto debido a que la temperatura que corre en el interior del secador es constante y que el periodo de secado es relativamente corto, por lo que las otras variables de entrada tienen pequeños gradientes.

Gráfica 15. Integración de la masa de agua evaporada en cada paso de tiempo.

III.1.3.3. Comportamiento térmico del sistema de captación de energía solar

Los valores mostrados en la Gráfica 16 corresponden a la temperatura de salida en el tanque de almacenamiento hacia la carga térmica. Se puede observar que el rango de temperatura es casi constante. Los gradientes se dan por el suministro de energía del colector durante el día.

Fin de secado

del lote

Humedad relativa en la salida

Humedad relativa en la entrada

Integración de masa de agua evaporada

Fin de secado

del lote

46

Gráfica 16. Comportamiento de la temperatura de salida en el tanque de almacenamiento.

Se monitoreó en los colectores de tubos evacuados la temperatura de salida hacia el tanque de almacenamiento, obteniendo los valores mostrados en la Gráfica 17. Se observa una temperatura de estancamiento que se debe a que la bomba de recirculación no trabaja cuando el tanque reporta una temperatura de 98 °C.

Gráfica 17. Comportamiento térmico en la salida del colector

III.1.3.4. Comportamiento térmico del calentador auxiliar

En la Gráfica 18, se reporta el incremento de temperatura que sufre el flujo másico de agua al pasar por el calentador auxiliar. Esta variable es obtenida a partir de un módulo de ecuaciones, en donde se realiza la operación de la diferencia entre la variable de temperatura del agua en la salida del tanque de almacenamiento y la temperatura del agua en la salida del calentador auxiliar.

Temperatura del fluido al salir del termotanque

Temperatura del fluido al salir de los colectores

47

Gráfica 18. Incremento de temperatura en el agua ocasionado por el calentador auxiliar.

III.1.3.5. Comportamiento térmico del sistema de calentamiento de aire

En la Gráfica 19, se observan los valores de temperatura para el agua proveniente del calentador auxiliar en color rosa, esta es la que entra al intercambiador de calor y una vez que sale de éste, baja su temperatura como se observa en color amarillo. También en color rojo se observa la temperatura del aire ambiente que entra al intercambiador de calor. Al salir de éste, adquiere una temperatura de 65 ºC como se muestra en color azul.

Gráfica 19. Comportamiento térmico del agua que proviene del calentador auxiliar

III.1.3.6. Control de flujos másicos de agua

En la Gráfica 20, se muestra el comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector. De esta forma se observa que la bomba se enciende cuando la temperatura del tanque es más baja que la del colector.

Temperatura del fluido al salir del calentador

Temperatura del aire al salir de intercambiador

Temperatura ambiente del aire

Temperatura del agua al entrar al intercambiador

Temperatura del agua al salir del intercambiador de calor

48

Gráfica 20. Comportamiento del flujo másico de agua en la salida del colector solar

Gráfica 21. Comportamiento de los flujos másicos en la válvula diversora

Para lograr el desplazamiento del agua caliente del intercambiador de calor al termotanque se utilizó una bomba de una sola velocidad. La Gráfica 22 muestra el flujo másico de agua constante que maneja dicha bomba.

Gráfica 22. Comportamiento en el flujo másico de agua del intercambiador

Flujo másico del agua a la salida del colector

Flujo másico del agua que va al intercambiador de calor

Flujo másico del agua que va a la válvula mezcladora

Flujo másico constante de agua en la bomba

49

III.2. Análisis paramétrico

Generalmente la cantidad de variables que intervienen en la simulación dinámica de un sistema térmico son numerosas. Por tal motivo es imprescindible variar parámetros del sistema para poder hacer una comparación de los resultados y analizar que parámetros optimizan el funcionamiento del sistema.

Para este proyecto, se busca obtener el número de colectores y el tamaño de termotanque que requiere el sistema para lograr los requerimientos térmicos del secador a menor costo y con mayor aporte solar.

III.2.1.1. TRNEdit

Figura 16. Inicio TRNDEdit

Es una herramienta contenida en TRNSYS, que fue utilizada para crear tablas paramétrica. Estas tablas se crean a partir de la cantidad de parámetros y el número de corridas que se van a analizar. En la Figura 17 se muestra un ejemplo de la interfaz de TRNEdit así como de la tabla paramétrica.

Figura 17. Interfaz de TRNEdit.

III.2.1.2. Análisis del sistema mediante variación paramétrica

En la Tabla 5, se presentan los parámetros propuestos y los resultados obtenidos. Estos parámetros propuestos fueron considerados como los factores principales que intervienen en el funcionamiento del sistema. Los resultados fueron definidos por el balance global de energía anual del sistema, en donde el “Calentador” (Energía total aportada por el calentador auxiliar al flujo másico de agua) será el valor más significativo para el análisis,

Nombre de los parámetros

Número de la corrida

Parámetros

50

ya que representa el consumo de energía no renovable. Los resultados de una tabla paramétrica son almacenados en un archivo de texto y de ahí son exportados a Microsoft Excel con el fin de ordenarlos y analizarlos con la ayuda de graficas dinámicas.

Parámetros propuestos y resultados obtenidos:

Tabla 5. Parámetros propuestos y resultados obtenidos.

III.2.1.2.1. Variación paramétrica

Se realizó una variación paramétrica para determinar el número óptimo de colectores y la relación de almacenamiento.

Valor mínimo Valor Máximo

Incremento Número de Corridas

Colectores (cantidad) 2 20 2 10

RVA (L/m2) 10 100 10 10

Número total de combinaciones

100

Tabla 6. Parámetros a variar en el análisis

III.2.1.2.1.1. Análisis de la variación paramétrica

De las 100 corridas se obtuvieron 100 líneas de resultados a los cuales se aplicó un filtro ordenando de menor a mayor el consumo de energía del calentador auxiliar.

III.3. Análisis económico

Optimizar todo el sistema a partir del análisis paramétrico nos llevaría a concluir que energéticamente lo óptimo sería instalar el mayor número de colectores posibles, así como la mayor cantidad de almacenamiento térmico, sin embargo en la práctica esto no resulta ser lo más efectivo, ya que el análisis económico representa una parte primordial en el dimensionamiento y optimización de cualquier sistema térmico.

La implementación de un sistema térmico solar generalmente es utilizada para la reducción de costos en consumo energético. Por lo tanto la rentabilidad de estos sistemas es analizado contra los costos de adquisición de los equipos, operación y vida útil.

´

´

´

´

´

´

51

III.3.1.1. Costos de inversión

III.3.1.1.1. Colectores solares

Equipo Marca Modelo Costo ($MXN)

Colector de tubos

evacuados

Apricus AP-30 $8,500

Tabla 7. Costo considerado para los colectores solares.

III.3.1.1.2. Tanque de almacenamiento

La información de los costos del tanque de almacenamiento fue obtenida del departamento de energía y protección al medio ambiente de CIMAV y está basada en la marca Swimquip a una capacidad de almacenamiento máxima de 5000L.

Capacidad (L)

Diámetro (m)

Altura (m)

Precio ($MXN)

5000 1.37 3.33 $ 81,125.00

4000 1.25 3.03 $ 68,750.00

3000 1.06 3.33 $ 61,125.00

2500 1.16 2.085 $ 51,437.50

2000 1.06 2.085 $ 40,750.00

1500 0.92 2.085 $ 36,562.50

1500 0.92 2.085 $ 29,750.00

1200 0.87 1.815 $ 29,625.00

1200 0.87 1.815 $ 25,500.00

1000 0.87 1.495 $ 27,125.00

1000 0.87 1.495 $ 22,812.50

750 0.77 1.495 $ 20,625.00

500 0.71 1.195 $ 18,125.00

350 0.61 1.195 $ 16,287.50

250 0.61 0.82 $ 15,662.50

Tabla 8. Costos del tanque de almacenamiento.

Ya que la capacidad del tanque de almacenamiento (L) se obtiene por la multiplicación del área neta de los colectores (m2) y el RVA (L/m2), el costo del tanque de almacenamiento fue obtenido a partir de una función. La función mostrada en la Gráfica 23 fue calculada utilizando una regresión lineal de tercer orden en Microsoft Excel con la información de la Tabla 8.

52

Gráfica 23. Regresión lineal de los costos del tanque de almacenamiento.

III.3.1.2. Costos de operación

En los costos de operación del sistema se consideró el consumo energético requerido por el calentador auxiliar, el cual utiliza Gas LP como combustible.

III.3.1.2.1. Inflación

El incremento en el precio de los bienes y servicios es un factor que debe ser considerado en el análisis económico, ya que está relacionado con el tiempo. La tasa de inflación considerada en este análisis es 4.19% que es el promedio de la inflación de los últimos 10 años(INEGI, INPC, 2013).

Gráfica 24. Inflación histórica de los últimos 10 años en México.

0

1

2

3

4

5

6

7

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Infl

acio

n

Banco Nacional, INEGI

INFLACION

Promedio

53

III.3.1.2.2. Costo del gas

Se considera el precio del Gas LP como $0.2MXN por MJ

III.3.1.2.3. Aumento del precio del combustible

En base al incremento histórico del Gas LP (Martín-domínguez, et al., 2011) del 2001 al 2011 mostrado en la Gráfica 25 se considera un aumento anual en el gas LP del 9%.

Gráfica 25. Incremento histórico del Gas LP.

III.3.1.2.4. Vida útil de los equipos

El análisis económico realizado en este estudio está basado en una vida útil de los equipos equivalente a 25 años.

III.3.1.2.5. Costos a valor presente

Para el análisis fue necesario utilizar la función del valor presente con gradiente (GPWF – Gradient Present Worth Factor (Stoecker, 1989) que se basa en la suposición teórica de que una cantidad, como por ejemplo el costo de la energía, aumenta uniformemente con el paso del tiempo.

El GPWF se define como:

Ecuación 28

54

En donde

PC (Costo del combustible al final del año). Este costo se determinó en base al resultado de la corrida de simulación.

𝑃𝐶 =𝐴𝑢𝑥

𝐸𝑓𝑓 ∗ 𝑃𝐺

Ecuación 29

o Aux es la cantidad de energía aportada por el calentador auxiliar al flujo másico de agua.

o Eff es el porcentaje de eficiencia que le aplica al calentador auxiliar. o PG es el precio del gas establecido.

n es el número de periodos a analizar

i es la inflación

G es gradiente, el cual se calcula multiplicado el aumento anual en el precio del combustible por el costo del combustible al final del año.

III.3.2. Costo Total

Se utilizó el valor “Aux” para obtener el costo del combustible al final del año (PC) para cada una de las corridas. Con el (PC), el número de periodos, la inflación y el gradiente obtenemos el GPWF.

El costo total del proyecto se obtiene a partir de la suma del GPWF más el costo de la inversión.

IV. Resultados y discusión

IV.1. Integración de los resultados del análisis económico y paramétrico

De los resultados obtenidos en el análisis paramétrico, donde se obtuvieron 100 corridas de simulación para el proyecto, se concentraron dichos resultados en una hoja de Microsoft Excel. Con el cálculo del costo total se elaboró una tabla dinámica la cual se utilizó para graficar los resultados.

IV.1.1. Representación gráfica de los resultados

La Gráfica 26 fue obtenida de la tabla dinámica realizada en Microsoft Excel y se puede observar la tendencia de los parámetros respecto al costo total.

Se observan líneas más cortas que otras debido a la limitante en la capacidad del tanque. Es posible distinguir en qué punto se encuentra el menor costo del proyecto, sin embargo esta información se observa más claramente en la

Tabla 9, la cual muestra en resumen la configuración de parámetros que representa la configuración óptima.

55

IV.1.1.1. Sistema Hibrido

Gráfica 26. Costo total para el Sistema Hibrido.

IV.1.2. Tablas de Resultados

En la tabla 9, se presenta los parámetros resultantes para los costos totales más bajos del sistema hibrido. Adicionalmente se realizó el mismo análisis para el proyecto que no utiliza colectores solares.

Tipo Sistema Hibrido

Colectores (Cantidad) 12

Área Total de colectores (m2) 52.8

Tanque (L/m2) 90

Capacidad tanque (L) 4752

Aux (kJ) 129213197

Tabla 9. Configuración óptima para el sistema hibrido.

Costos Sistema de secado hibrido

Colectores ($) $102,000.00

Almacenamiento ($) $29,272.32

Gas ($) $8,016.63

Total ($) $139,288.95

Tabla 10. Costos del sistema hibrido

$0.00

$100,000.00

$200,000.00

$300,000.00

$400,000.00

$500,000.00

$600,000.00

$700,000.00

$800,000.00

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Co

sto

to

tal

Numero de colectors

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

RVA

L/m2

56

IV.1.3. Comparación gráfica de los sistemas

IV.1.3.1. Costo Total por proyecto

En la Gráfica 27, se puede observar los costos totales de los diferentes proyectos donde el Sistema “Hibrido” representa el costo total más bajo considerando 25 años de operación.

Gráfica 27. Costos totales del sistema hibrido y del tradicional.

IV.1.1. Comportamiento térmico del sistema

IV.1.1.1.1. Sistema “Hibrido”

En la Gráfica 28, se puede observar en color rosa, la temperatura del agua cuando sale del calentador auxiliar y pasa por la válvula diversora que regula el flujo para lograr la temperatura del aire de salida (65 ºC) deseada para el secado. En los círculos amarillos de la Gráfica 29 se observa una disminución en la temperatura del agua que proviene del tanque. No obstante el calentador auxiliar se encarga de aumentar la temperatura para que la temperatura de aire no caiga de 65 ºC. En color amarillo se distingue la temperatura del agua a la salida del intercambiador de calor una vez que cedió parte de su calor al aire. En color rojo la temperatura del aire a la entrada al intercambiador de calor que se encuentra por debajo de los 35 ºC.

Sistema hibrido Sistema tradicional

57

Gráfica 28. Comportamiento térmico del intercambiador de calor.

En la Gráfica 29, se observa la línea color rosa empalmada con la línea color rojo, estas corresponden a la temperatura del agua a la salida del calentador auxiliar y a la salida del tanque de almacenamiento respectivamente. Señalados con círculos amarillos, se encuentran las caídas de temperatura en el tanque en donde se observa que el calentador debe estar encendido para aumentar la temperatura.

La línea constante en la parte de abajo es el flujo másico del agua caliente impulsado por la bomba de una sola velocidad que circula el agua hacia el intercambiador.

Gráfica 29. Comportamiento térmico del termotanque y del calentador.

Temperatura del agua cuando sale

del calentador auxiliar Temperatura del aire

dentro del secador

Temperatura del aire

ambiente

Temperatura del agua a la salida del intercambiador

Flujo másico de aire que pasa por el ventilador

Flujo másico de agua que pasa por el intercambiador

Temperatura del agua a la salida del calentador

Temperatura del agua a la salida del termotanque

58

Gráfica 30. Comportamiento térmico del colector durante 3 días.

En la Gráfica 30, se observa en color rojo la temperatura del agua a la salida del colector, esta aumenta con la incidencia de radiación solar. En color azul vemos el comportamiento de la bomba, la cual se enciende cuando el controlador le indica que la temperatura del agua contenida en el tanque es menor que la temperatura del agua del colector.

Gráfica 31. Comportamiento de la válvula diversora

En la Gráfica 31, se muestra el funcionamiento de la válvula diversora. Un control regula el flujo de agua con el fin de mantener 65 ºC en la temperatura del aire a la salida del intercambiador de calor, regulando el flujo másico de agua con el fin de mantener la temperatura según las condiciones del momento. En color azul se describe la temperatura del agua la salida del calentador.

IV.1.1.1.2. Sistema “Tradicional”

Este sistema produce los mismos requerimientos de secado que el sistema hibrido, la diferencia es la energía que utiliza para lograrlo. En la Figura 19 se muestra la simulación que se utilizó para analizar el comportamiento del sistema y el consumo de gas trabajando de manera continua a lo largo de un año.

Temperatura del agua a la salida del colector

Comportamiento de la bomba de agua

Flujo másico del agua para el intercambiador de calor

Flujo másico del agua para

la válvula mezcladora

59

Figura 18. Componentes involucrados en el sistema de secado a gas.

Figura 19. Sistema Tradicional simulado en TRNSYS

60

Figura 20. Temperaturas y flujos del intercambiado de calor.

La temperatura del agua a la entrada de intercambiador de calor no sufre cambios por lo que se obtienen temperaturas de salida más estables en comparación con el sistema de colección solar donde es más notables la variación y el rango de los valores de la temperatura del agua por medio de calentamiento solar.

IV.1.1.1.3. Sistema hibrido conectado a módulo de secado de EES

Una vez que se encontró la configuración óptima para el sistema de calentamiento de aire, se enlazo con la interface de EES para trabajar de manera conjunta y así poder obtener el tiempo de secado en diferentes momentos del año y sus respectivos consumos de energía por lote.

Estación del año Horas 10am 3pm Tiempo de

Secado (h)

Energía Calentador

(kJ)

Primavera (21 marzo)

1920 1930 1935 4.27 3872

Verano (21 junio)

4128 4138 4143 4.58 5302

Otoño 23 (septiembre)

6384 6394 6399 4.583 4769

Invierno (22 diciembre)

8544 8554 8559 4.25 5220

Tabla 11. Tiempos aproximados de secado y consumo de energía del calentador.

En la Tabla 12, es notable que no cambien los tiempos de secado en gran medida y esto se le atribuye a la temperatura constante en el aire de 65 ºC.

Temperatura del agua de entrada al intercambiador de calor

Temperatura del aire en el secador

Temperatura del agua a la salida del intercambiador

Temperatura ambiente del aire

Flujo másico del agua

Flujo masico del aire en ventilador

61

Tomando en cuenta que los tiempos de secado no pasan de 4.6 horas, podríamos suponer que cada lote tarda 5 horas en secarse. Suponiendo un turno normal de trabajo podrían obtenerse 1 o 2 lotes por días. Sin embargo, si se aprovecha la ventaja que el secador puede trabajar de día o noche, podrían producirse hasta 4 lotes de carne seca al día, incluso tomando en cuenta los tiempos de carga y descarga de las charolas.

Producción Diaria Mensual Anual

1 turno de trabajo

(2 Lotes)

21 kg 630 kg 7,665 kg

2 turnos de trabajo

(4 lotes)

42 kg 1260 kg 15,330 kg

Tabla 12. Producción de carne.

V. Conclusiones y recomendaciones

Fue posible utilizar TRNSYS y EES como herramientas primordiales para simular y minimizar el consumo de gas LP en un sistema tradicional asistiéndolo con energía solar.

Tabla 13. Reducción de consumo de gas.

En la Tabla 13, se muestra el costo del gas para una operación de 25 años a valor presente. Se logró una reducción del consumo del gas, lo que se traduce en menos emisiones a la atmosfera.

El simulador desarrollado puede ser utilizado posteriormente para el dimensionamiento del sistema de captación solar y almacenamiento necesario para un secador con una carga térmica diferente. Lo mismo sucede con el módulo de secado, este cuenta con la flexibilidad de ser ajustado a otra cantidad de masa, y a las características de otro producto.

Sistema hibrido Sistema tradicional

62

Se concluye que la variable más importante para la evaporación del agua es la temperatura, esto debido a los resultados obtenidos de las simulaciones a temperatura ambiente y temperatura de 65 ºC.

Se recomienda que se agregue al simulador de EES un tiempo de espera equivalente a la descarga del lote y carga de un nuevo lote y que vuelva a realizar la simulación cíclicamente para que sea posible hacer el cálculo de la producción total durante todo el año de manera automática.

El sistema desarrollado utiliza agua como fluido térmico, sin embargo es recomendable tomar en cuenta la calidad del agua existente con el fin de evitar incrustaciones en cualquier equipo utilizado. Por tal motivo se recomienda utilizar un fluido térmico diferente.

Dado que en la revisión bibliográfica que se llevó a cabo, previa al desarrollo del proyecto, no se encontraron publicaciones que describan simuladores con esta aplicaciones específicas, se considera que lo desarrollado en éste proyecto puede ser una contribución importante al estudio y diseño de sistemas de secado asistidos con energías renovables.

APENDICE

Código de Simulador en EES

Para analizar el secador se utilizó un modelo de evaporación de agua elaborando un algoritmo en EES.

El código empleado para simular el módulo de secado se presenta a continuación:

En la primera sección el comando IMPORT que es necesario para la introducción de variables climáticas de TRNSYS. El siguiente comando es un procedimiento que índica por medio de una condicional si hay humedad en la superficie del producto o no, finaliza el condicional. Declaración de variables, parámetros y datos. Se definen las ecuaciones de dimensionamiento de acuerdo a las características del producto a secar. Con los cálculos anteriores se calcula la cantidad de masa evaporada en la superficie del producto y los balances de masa y energía para determinar las condiciones de salida del aire. Casi al final del código se encuentran correlaciones para obtener la presión de saturación y entalpias calculadas por el Dr. Ignacio Martin Domínguez. Por último el comando EXPORT que envía variables a TRNSYS en cada time step.

"El comando IMPORT permite importar variables de TRNSYS en cada time step" $IMPORT 'CLIPBOARD' T_db_TRNSYS, T_wb_TRNSYS, H_1_TRNSYS, rho_a_TRNSYS, AGUA_TRNSYS PROCEDURE HUMEDAD (AGUA, m_w, Pws, P, H_1: H_s) IF (AGUA<m_w) then H_s=(0.622*Pws/(P-Pws) ) "Humedad de saturación [kg_w/kg_a]" else H_s=H_1 "Humedad de saturación [kg_w/kg_a]" endif END call HUMEDAD(AGUA, m_w, Pws, P, H_1 : H_s) "Vienen de TRNSYS" T_db1=T_db_TRNSYS "Input 1-Temperatura del bulbo seco [°C] " T_wb=T_wb_TRNSYS "Input 2-Temperatura del bulbo húmedo [°C]" H_1=H_1_TRNSYS "Input 3- Humedad del aire [kg agua/kg aire seco]" rho_a=rho_a_TRNSYS "Input 4- Densidad del aire [kg/m^3]" AGUA= AGUA_TRNSYS "Input 5- kg de Agua evaporada [kg_w/h]" "Datos" Nu=0.1 "Velocidad del aire (convección forzada) [m/s]"

63

P=101.325 "Presión total en [kPa]" Cp_a=1.005 "Capacidad calorífica del aire seco [kJ/kg-°C]" Cp_va=1.88 "Capacidad calorífica del vapor de agua [kJ/kg-°C]" rho_M=1090 "Densidad de la carne de res [kg/m3]" m_T=30 "Masa total de la carne húmeda [kg]" M_%= 0.65 "Porcentaje de contenido de humedad en la carne base húmeda [%]" épsilon=0.005 "Espesor de la rebanada de carne de res [m]" A_%=0.90 "Porcentaje de área ocupada por la carne en la charola" epsilon_Ch=0.002 "Espesor de la charola de acero perforada [m]" n=10 "Numero de charolas" S=0.1 "Espacios libres entre cada charola [m]" "Dimensiones del secador" m_w=m_T*M_% "Masa de agua en la carne [kg]" V=m_T/rho_M "Volumen [m3]" A_T=V/épsilon "Área total de la carne [m2]" A_M=A_T/n "Área ocupada por la carne en cada charola [m2]" L_M=sqrt(A_M) "Ancho y largo del área ocupada por la carne en la charola [m2]" A_sup=2*L_M*L_M "Área superficial de la carne (de contacto con el aire) por charola [m2]" A_supT=A_sup*n "Área superficial de la carne (de contacto con el aire) por todas las charolas [m2]" A_Ch=A_M/A_% "Área de cada charola [m2]" L_Ch=sqrt(A_Ch) "Ancho y largo del área de la charola [m2]" PSI=(epsilon_M+epsilon_Ch)*n+S*(n+1) "Altura del secador [m]" At_alpha=PSI*L_Ch "Área transversal total del secador [m2]" At_beta=(epsilon_M+epsilon_Ch)*n*L_Ch "Área transversal ocupada del secador [m2]" At_gamma=(At_alpha-At_beta) "Área transversal libre del secador [m2]" "Cálculos [Engineeringtoolbox_Water Evaporation]" theta=(25+19*Nu) "Coeficiente de evaporación [kg_w/m^2-h*kg_w/kg_a]" m_vah=theta*A_supT*(H_s-H_1) "Cantidad de agua evaporada [kg_w/h]" m_vas=m_vah*1[h]/3600[s] "Cantidad de agua evaporada [kg_w/s]" q=h_fg*m_vas "Calor requerido para mantener la temperatura [kJ/s]" m_a=Nu*rho_a*At_gamma "Flujo másico del aire [kg_a/s]" H_2=H_1+m_vas/m_a "Balance de Masa [kg_w/kg_a], [Termodinámica, Cengel Pág. 654 Ecuación]" phi=((H_2*P)/((0.622+H_2)*Pws))*100 "Humedad Relativa a la salida del secador [%], [Termodinámica, Cengel Pág. 671 Ecuación 2.48]" Cs=(Cp_a+Cp_va*H_1) "Calor Húmedo [kJ/kg-°C]" T_db2=T_db1-(((H_2-H_1)*h_fg)/(Cs)) "Temperatura del bulbo seco a la salida del secador [°C], [Procesos de Transporte y Operaciones unitarias, Geankoplis, Pág. 590, Ecuación 9.3-1]" "Correlación para la Presión de Saturación, Fuente: Dr. Ignacio Martin Domínguez" T1 = T_wb + 273.15 A3 = -1163.34125595169 B3 = 0.0033643107495 C3 = 512.150867373211 D3 = -75.1985866914786 E3 = 3.712201512037 Pws = Exp(A3 + B3 * T1 + C3 * LN(T1) + D3 * LN(T1) ^ 2 + E3 * LN(T1) ^ 3) T = 374.14 - T_db1 "Correlación de Entalpia de liquido saturado, Fuente: Dr. Ignacio Martin Domínguez" A = 1876.74733833554 B = -1.31002150051067 C = -0.002480132666765 D = 0.000001182732691 E = -5.29310510262983 h_f = A + B * T+ C * T^ 2 + D * T ^ 3 + E * LN(T) ^ 3 "Correlación de Entalpia de vapor saturado" A2 = 2182.05548385779 B2 = 7.138147535896 C2 = -0.62871633893 D2 = 0.012034238988 E2 = 86.692039260318 h_g = A2 + B2 * T + C2 * T ^ 1.5 + D2 * T ^ 2 + E2 * LN(T)

64

"Entalpia de Evaporación hfg [kJ/kg]" h_fg=h_g-h_f $Export 'CLIPBOARD' m_vah, H_2, phi, T_db2

"El comando EXPORTpermite exportar variables a TRNSYS en cada time step"

Consulta de Norma

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