Diseño y Construcción de un Secador Solar como AlternativaSustentable en el Secado de Frutos en Zonas Rurales

Dr. Adrián Vidal Santo1, Dr. Oscar Velázquez Camilo2, Dr. Marco O. Vigueras Zúñiga3 y M.I.A. EstelaDel C. Rodríguez Fernández4

Resumen—Este trabajo se centra en el diseño, construcción y caracterización de un secador solar de frutas,rediseñado de un prototipo previamente caracterizado por los autores. Este nuevo modelo cuenta con mayor áreade absorción solar mediante la implementación de un intercambiador de calor construido de latas de aluminio, lacámara de secado fue adecuada para que las parillas pudieran desplazarse de manera vertical para poder medir lapérdida de humedad de la fruta. Las pruebas experimentales se realizaron en el mes de junio, mes en que se tienencondiciones de radiación solar favorable, pero con humedad relativa promedio del 70%. Con los datos obtenidos seconcluye que este nuevo modelo de secador, se puede lograr el secado de la fruta en sólo dos días, con respecto almodelo anterior que ocupaba hasta cuatro días.Palabras clave: Solar dryer, fotovoltaico, agricultores Veracruzanos, Energía Renovable, Innovación.

IntroducciónVeracruz, como muchos estados de la República Mexicana, se encuentra geográficamente posicionado en

una zona en la que la irradiación solar global promedio y la energía solar alcanzan valores de 900 W/m2 y~5.0 kWh/m2-día, respectivamente, como lo reportan Vidal et al. (2012). Es por ello que los proyectos deaprovechamiento de la energía solar son técnicamente factibles de realizar, sobre todo en la zona costera delestado. El grupo de investigadores del cuerpo académico de Termofluidos y energía de la Facultad deingeniería de la UV en conjunto con los de Ingeniería de procesos y desarrollo sustentable,han estadoinvestigado los parámetros ambientales de la zona conurbada de Boca del Río-Veracruz y comunidadesvecinas, para contar de base de datos que les permita analizar y proponer la tecnología de aprovechamiento delas energía renovables como la solar, eólica, biomasa, etc. (Vidal et al. 2013). En ese sentido desde hace tresaños iniciaron el estudio de los secadores solares de frutas, granos y especias logrando un primer prototipoque caracterizaron y analizaron logrando un desempeño aceptable (Vidal et al. 2012). Sin embargo, de esteanálisis y de la información disponible en la literatura científica (Mumba, 1996, Nijmehet al. 1998, Forsonet al. 2007, Janjai et al. 2009, Montero et al. 2010 y Fudholi 2010) se obtuvieron las características paramejorar el desempeño del diseño del secador solar.

Este nuevo modelo del secador solar se caracteriza por tener una mayor área de transferencia de calor, locual se logró mediante la implementación de un arreglo triangular de haz de tubos formados con latas dealuminio que fueron recicladas para este propósito, también se adicionó al secador cinco ventiladores decorriente directa (CD) alimentados con energía solar proveniente de una celda y una batería, por lo que elprototipo pasó de ser operado por convección natural a convección forzada. El diseño de las parrillas fuetambién modificado, ya que las del nuevo secador permiten interactuar con la balanza que se encuentra en elexterior y se desplazan verticalmente conforme el producto va perdiendo humedad y es registrado por labalanza. Todas estas nuevas características permitieron que el secador alcanzara un buen desempeño, el cualse ve reflejado en la cantidad de humedad que éste retira en el tiempo de secado que va de seis a ocho horas.

En las secciones siguientes se detalla el proceso de diseño y construcción del prototipo experimental, lainstrumentación utilizada y los resultados obtenidos de la caracterización del mismo.

1Dr. Adrián Vidal Santo es profesor Investigador de la Universidad Veracruzana en la Facultad de Ingeniería, Ing.Mecánica Eléctrica, Región Veracruz. avidal@uv.mx.(Autor corresponsal)

2Dr. Oscar Velázquez Camilo, es profesor Investigador de la Universidad Veracruzana en la Facultad de Ingeniería,Ing.Química, Región Veracruz.ovelazquez@uv.mx.

3Dr. Marco Osvaldo Vigueras Zúñiga, es profesor Investigador de la Universidad Veracruzana en la Facultad deIngeniería, Ing. Mecánica Eléctrica, Región Veracruz. mvigueras@uv.mx

4 M.I.A Estela Fernández Rodríguez es profesora Investigadora de la Universidad Veracruzana en la Facultad deIngeniería, Ing. Mecánica Eléctrica, Región Veracruz.esfernandez@uv.mx

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MetodologíaSe acudieron a las zonas agrícolas de comunidades contiguas a Veracruz y Boca del Río, para realizar

mediciones de los parámetros ambientales in situ ytambién para observar las limitaciones que se tendrían alrealizar la caracterización del secador en campo, y de este modo subsanarlas con el diseño del prototipo, comose puede apreciar en la Figura 1.

Figura 1. Visita a zonas agrícolas y medición de parámetros ambientales.

En la Figura 2, se aprecia que se tiene buena irradiación global (W/m2) para el mes de marzo en que sevisitó la zona agrícola. En los meses sucesivos este valor aumentó hasta los 1000 W/m2, porque fueron losmeses en que mayor irradiación solar se tiene en la zona. Esta actividad se realizó con los equipos demedición el piranómetro modelo CMP-3 y el accesorio displayMeteon, donde se obtuvieron mediciones entiempo real de los valores de radiación global. También se usó la estación meteorológica Vantage Pro2 deDavis. Como se esperaba, se pudo cotejar la información estadística con las mediciones en campo, lo que diopauta para que se continuara con la etapa de diseño del secador solar.

Figura 2.Valor de la radiación censado y estación meteorológica instalada en el campo agrícola

DiseñoCon base en la información recabada en las mediciones realizadas en campo y las de la estación

meteorológica se diseñó y construyó el secador solar, buscando integrar mayor área de intercambio de calor,que fuera modular para poder transportarlo, que tuviera espacio para colocar los ventiladores de aire y que eldiseño de las parrillas pudiera ser corredizo, para que interactuara con la balanza colocada en el exterior. En laFigura 3 se detalla el diseño del secador.

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Figura 3. Esquema del diseño del secador solar, acotaciones en mm.ConstrucciónLa construcción del prototipo se dividió en dos partes: el colector y la cámara de secado.El colector.Este cuenta con un bastidor que fue construido con PTR de acero de 1 1/4” y ángulo de 1” para después

forrarlo con lámina galvanizada calibre 20 (½ mm) y pintarlo de negro mate para aumentar la absorción solar.El colector se divide en el receptor de calor por radiación y la zona de trasferencia de calor por convección.El receptor de calor por radiación está construido con material reciclable (latas de aluminio) con los que seformaron tres niveles de tubos hechos con alrededor de 520 latas, las cuales están sujetas al cuerpo delcolector con una malla metálica y sirven para aprovechar mejor el calor por radiación y aumentar latransferencia de calor por convección proveniente de la parte baja del colector, además cuenta con una tapa decristal que ayuda a capturar el calor absorbido por radiación, como se aprecia en la Fig. 4.

Figura 4. Partes del colector que muestra los tubos del intercambiador de calor.

La cámara de secado.La cámara de secado se construyó de los mismos materiales que el colector y con aislante de fibra de

vidriopara minimizar la pérdida de calor.La puerta de la cámara se construyó mediante un bastidor dealuminio conformado con ángulos de 1”, lo que la hace muy ligera, además cuenta con un empaquemagnético en el contorno de la cara interna, lo que asegura un sellado total,y dos seguros de presión paraevitar fugas de calor. Se fabricaron tres charolas con ángulo de aluminio de ½” y malla metálica, las cualesestán unidas a una báscula por medio de un mecanismo de aluminio de 1” para poder obtener los valores, engramos, de la humedad pérdida durante el tiempo de secado. Ver detalles en la Figura 5.

Después de terminar la construcción del secador, éste se instrumentó con termopares, para medir lastemperaturas en cinco secciones, a decir, tres puntos de medición en el colector y dos en la cámara de secado.También se dejaron puertos de medición de velocidad del aire inducido por los cuatro ventiladores ubicaos ala entrada de la cámara de secado y uno más en la salida de la chimenea.Se diseñó un programa en LabViewpara hacer la interface entre el adquisidor de datos (C-Rio de NI) y los sensores de temperaturas (termopares).

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La instrumentación del secador solar, puede trabajar con corriente continua o directa, para lo cual se cuentacon un panel solar, baterías, controlador de energía y un inversor.

Figura 5. Charolas ya instaladas en la cámara de secado y báscula unida a las charolas.

ResultadosLa etapa de caracterización se realizó con papaya cortada en rebanadas de aproximadamente 5 mm de

espesor, dado que en pruebas preliminares se había probado cortándolas en cubo, pero el proceso de secadofue ineficiente porque resultó más difícil retirar la humedad, es por ello que en rebanadas se logró un mejorsecado de la fruta, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Consistencia de la fruta después de ocho horas de secado.

El secador fue capaz de retirar 1,200 grs de humedad en un periodo que duró entre seis y ocho hrs desecado de las pruebas que se realizaron el 8 y 9 de julio. La última prueba fue interrumpida porque el día senubló, sin embargo el resultado fue alentador, dado que en experimentos previos con un modelo anterior, seretiraba esa cantidad pero con el doble de horas de secado. Respecto a la apariencia de la fruta, después delproceso de secado, ésta conserva su sabor y color. En la Figura 7, se aprecia cómo se fue perdiendo lahumedad durante el proceso de secado y el producto final obtenido, con lo que se cumple con los objetivos ymetas planteadas. Sin embargo, el trabajo experimental continuará hasta para investigar el tiempo que elproducto tarda en almacenamiento con y sin picante. Aunque el objetivo principal fue secar papaya, se haestado experimentando con mango y piña, que también son frutos que se cosechan en la región. Las pruebaspreliminares mostraron que la consistencia del mango es aceptable y también el tiempo de secado es similar alde la papaya; sin embargo, la piña requiere más tiempo de secado. Se continuará trabajando con estos trestipos de frutas para mejorar el tiempo de secado de las mismas, sin sacrificar consistencia y sabor.

Cabe mencionar que previo al proceso de secado de la papaya se analizó el tiempo de secado yconsistencia, realizando pruebas en una la balanza de humedad Ohaus y de igual manera se realizarán entrabajos futuros para el mango y la piña.

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Figura 7. Curva de secado y peso del producto después del proceso.

ConclusionesSe diseñó y construyó un secador solar de frutas, de forma modular para facilitar su instalación y

movilidad de un lugar a otro, lo cual es importante para poder tomar datos de diferentes zonas del estado yconocer la zona más favorable para la deshidratación de frutas.

Una de las principales ideas para este prototipo fue utilizar material reciclable para ayudar a laconcientización de proteger el medio ambiente; utilizando latas de aluminio para formar los tubos delintercambiador de calor en el colector, lo cual aumentó la transferencia de calor por radiación y convección,incrementando de esta manera la eficiencia de la cámara de secado. Se analizaron los periodos en que elproceso de secado es más eficiente tomando como base la radiación del lugar, la humedad relativa y latemperatura ambiente, concluyendo que el periodo de secado óptimo es de las 10:30 am a las 6:30 pm.También se pudo observar que al adicionar la conversión forzada al proceso de secado, el parámetro detemperatura dentro del colector y la cámara de secado disminuyen con respecto a la convección natural, perofavorece la deshidratación al remover mayor cantidad de agua de la fruta.

Se continuará trabajando, pero ahora enfocados en la caracterización de la fruta seca para podercomercializarla y lograr patentar el equipo.

AgradecimientosLos autores agradecemos a PROMEP por el apoyo económico brindado a través del CA de Termofluidos yEnergía (convocatoria 2012) para la realización del proyecto. El Dr. Vidal agradece alos estudiantes becariosque apoyaron en la realización de este proyecto: Oscar Felipe Gamboa, Darwin Díaz, José Roberto Cruz yJulio Serrano.

Referencias

Vidal, A., Velázquez, O., De la Cruz, R.I. y Ortega, G. Diseño y construcción de un secador solar portátil. EnChiapasAcademiaJournals.com. Tuxtla Gutiérrez, Chis., México, 2012.

Vidal Santo, A., Yépez Serna, R., Canudas Lara, E.G y Rodríguez Fernández, E. Generación y aprovechamiento de biocombustibles en laUniversidad Veracruzana. En Congreso Internacional de AMIDIQ Mazatlán, Sin., México, 2013.

Mumba, J. Design and development of a solar grain dryer incorporating photovoltaic powered air circulation.EnergyConvers. Mgmt.Vol.37, No. 5, pp. 615-621, 1996.

Nijmeh, M.N., Ragab, A.S., Emeish, M.S. and Jubran, B.A. Design and testing of solar dryers for processingfood wastes. AppliedThermal Engineering, Vol. 18, pp. 1337-1346, 1998.

Forson, F.K., Nazha, M.A.A., Akuffo, F.O. andRajakaruna H. Design of mixed-mode natural convection solar cropdryers: Application ofprinciples and rules of thumb. Renewable Energy, Vol. 32, pp. 2306–2319. 2007.

Janjai, S.,Lamlert, N., Intawee, P., Mahayothee, B., Bala, B.K., Nagle, M. and Muller, J. Experimental and simulated performance of aPV-ventilatedsolar greenhouse dryer for drying of peeled longan and banana.Solar Energy, Vol. 83, pp. 1550–1565, 2009.

Montero, I., Blanco, J., Miranda, T., Rojas, S. and Celma, A.R. Design, construction and performance testing of a solar dryerforagroindustrial by-products. EnergyConversion and Management, Vol. 51, pp. 1510–1521, 2010.

Figura 7. Curva de secado y peso del producto después del proceso.

ConclusionesSe diseñó y construyó un secador solar de frutas, de forma modular para facilitar su instalación y

movilidad de un lugar a otro, lo cual es importante para poder tomar datos de diferentes zonas del estado yconocer la zona más favorable para la deshidratación de frutas.

Una de las principales ideas para este prototipo fue utilizar material reciclable para ayudar a laconcientización de proteger el medio ambiente; utilizando latas de aluminio para formar los tubos delintercambiador de calor en el colector, lo cual aumentó la transferencia de calor por radiación y convección,incrementando de esta manera la eficiencia de la cámara de secado. Se analizaron los periodos en que elproceso de secado es más eficiente tomando como base la radiación del lugar, la humedad relativa y latemperatura ambiente, concluyendo que el periodo de secado óptimo es de las 10:30 am a las 6:30 pm.También se pudo observar que al adicionar la conversión forzada al proceso de secado, el parámetro detemperatura dentro del colector y la cámara de secado disminuyen con respecto a la convección natural, perofavorece la deshidratación al remover mayor cantidad de agua de la fruta.

Se continuará trabajando, pero ahora enfocados en la caracterización de la fruta seca para podercomercializarla y lograr patentar el equipo.

AgradecimientosLos autores agradecemos a PROMEP por el apoyo económico brindado a través del CA de Termofluidos yEnergía (convocatoria 2012) para la realización del proyecto. El Dr. Vidal agradece alos estudiantes becariosque apoyaron en la realización de este proyecto: Oscar Felipe Gamboa, Darwin Díaz, José Roberto Cruz yJulio Serrano.

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Figura 7. Curva de secado y peso del producto después del proceso.

ConclusionesSe diseñó y construyó un secador solar de frutas, de forma modular para facilitar su instalación y

movilidad de un lugar a otro, lo cual es importante para poder tomar datos de diferentes zonas del estado yconocer la zona más favorable para la deshidratación de frutas.

Una de las principales ideas para este prototipo fue utilizar material reciclable para ayudar a laconcientización de proteger el medio ambiente; utilizando latas de aluminio para formar los tubos delintercambiador de calor en el colector, lo cual aumentó la transferencia de calor por radiación y convección,incrementando de esta manera la eficiencia de la cámara de secado. Se analizaron los periodos en que elproceso de secado es más eficiente tomando como base la radiación del lugar, la humedad relativa y latemperatura ambiente, concluyendo que el periodo de secado óptimo es de las 10:30 am a las 6:30 pm.También se pudo observar que al adicionar la conversión forzada al proceso de secado, el parámetro detemperatura dentro del colector y la cámara de secado disminuyen con respecto a la convección natural, perofavorece la deshidratación al remover mayor cantidad de agua de la fruta.

Se continuará trabajando, pero ahora enfocados en la caracterización de la fruta seca para podercomercializarla y lograr patentar el equipo.

AgradecimientosLos autores agradecemos a PROMEP por el apoyo económico brindado a través del CA de Termofluidos yEnergía (convocatoria 2012) para la realización del proyecto. El Dr. Vidal agradece alos estudiantes becariosque apoyaron en la realización de este proyecto: Oscar Felipe Gamboa, Darwin Díaz, José Roberto Cruz yJulio Serrano.

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Vidal, A., Velázquez, O., De la Cruz, R.I. y Ortega, G. Diseño y construcción de un secador solar portátil. EnChiapasAcademiaJournals.com. Tuxtla Gutiérrez, Chis., México, 2012.

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Montero, I., Blanco, J., Miranda, T., Rojas, S. and Celma, A.R. Design, construction and performance testing of a solar dryerforagroindustrial by-products. EnergyConversion and Management, Vol. 51, pp. 1510–1521, 2010.

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Fudholi, A., Sopian, K., Ruslan, MH.,Alghoul, M.A. and Sulaiman, M.Y. Review of solar dryers for agricultural and marine products.Renewable and SustainableEnergyReviews, Vol. 14, pp. 1–30, 2010.

Notas Biográficas

El Dr. Adrián Vidal Santo es Profesor Investigador de la sección de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Facultad de Ingeniería dela Universidad Veracruzana, realizó estudios de posgrado en la UNAM en el área de Termofluidos (Maestría) y Energía (Doctorado). Hapublicado artículos en las revistas Energy, EnergyResearch y AppliedThermalEngineering y actualmente trabaja en proyectos de ahorrode energía y aprovechamiento de las energías renovables.

El Dr. Oscar Velázquez Camilo es Profesor Investigador de la sección de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de laUniversidad Veracruzana, realizó estudios de posgrado (Maestría y Doctorado) en la UAM en el área de Ciencias de la Ing. Química. Hapublicado artículos en las revistas de Mathematics and SystemScience, CrystalGrowthy, FoodEngineering, etc. Actualmente trabaja endiseño y construcción, instrumentación y control de procesos industriales.

El Dr. Marco O. Vigueras Zúñiga es Profesor Investigador de la sección de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Facultad deIngeniería de la Universidad Veracruzana, realizó estudios de posgrado (Maestría y Doctorado) en CranfieldUniversity en el áreadeTurbinas de gas y termofluidos. Ha publicado artículos en las revistas como AppliedThermalEngineering y memorias de congresoscomo SOMIM, AMIDIQ, etc. actualmente trabaja en proyectos de Gas y petróleo y aprovechamiento de las energías renovables.

LaM.I.A. Estela del C. Rodríguez Fernández, es Profesora Investigadora de la sección de Ingeniería Mecánica Eléctrica de laFacultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana, realizó estudios de posgrado en el área de administración de la Energía.Actualmente dirige su investigación al área de Termofluidos y energía.

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Análisis Térmico ENERTEC para laboratorio de cristalización(Parte1)

M.O. Vigueras Zúñiga1, O. Velázquez Camilo2, S.A. Zamora Castro3, E. Fernández Rodríguez4

Resumen—El documento describe los avances en el estudio térmico para un laboratorio fabricado de PVC de últimatecnología de la empresa ALUPLASTMEX. En este trabajo participan investigadores y alumnos de diferentes CuerposAcadémicos de la Universidad Veracruzana e Instituciones Nacionales y Extranjeras. El objetivo de la investigación esobtener valores reales térmicos para generar un modelo numérico y estudiar el aislamiento térmico necesario para unlaboratorio de cristalización (alimentos) considerando las condiciones ambientales del lugar. La información es productode los proyectos "UVFIV-1010-Modelado Térmico Edificación Aluplast" y "Correlación Matemática de PropiedadesFisicoquímicas y Descriptores Fractales en la Cristalización Lote por Enfriamiento de Azúcar de Caña" cuyos resultadosincluyen propuesta preliminar delmaterial con mediciones experimentales para determinar un ahorro y uso sustentablede energía.

Palabras clave—PVC, Transferencia, Calor, Laboratorios, Energía.

Introducción

El proyecto surge a través de la vinculación de la Universidad Veracruzana con la empresa ALUPLAST quienfabrica perfiles estructurales de PVC para la construcción de edificaciones. En el caso particular de este documentose exponen el estudio del comportamiento térmico de un perfil de 12 x 6cm instrumentado con el equipo mostrado(CRio y Termopares Siemes) en la Figura 1 adaptado a un banco experimental de pruebas diseñado en el laboratorio.

Figura 1. Fotografía-izquierda muestra equipo de adquisición de datos CRio de la marca National Instrumentscon módulo de 16 canales. Fotografía-derecha muestra diferentes sensoresSIEMENS para medir la temperatura.

Descripción del Método

Los paneles de PVC buscan cubrir necesidades que otros materiales no proporcionan, añadiendo ventajasconsiderables en el impacto ambiental y económico en la construcción de casas. Una de las ventajas que se haencontrado es el aislamiento térmico, concepto que será estudiado y validado en esta investigación con la finalidadde cuantificar su potencialidad en diferentes condiciones ambientales de la zona costera del Estado de Veracruz. Ellograr alcanzar los objetivos, permitirán cuantificar las mejorasde aislante térmico del material en comparación conmateriales convencionales utilizados en la construcción.

1 El Dr. Marco Osvaldo Vigueras Zúñiga es Profesor-Investigador de la Universidad Veracruzana, mvigueras@uv.mx2 El Dr. Oscar Velázquez Camilo es Profesor-Investigador de la Universidad Veracruzana, ovelazquez@uv.mx3 El Dr. Sergio Aurelio Castro Zamoraes Profesor-Investigador de la Universidad Veracruzana, szamora@uv.mx4 El M.I.A.Estela Fernández Rodríguezes Profesor de la Universidad Veracruzana, esfernandez@uv.mx

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