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DISEÑO DE SECADOR SOLAR PARA PRODUCTOS ANDINOS
I. PLANTEAMIENTO DEL CLIENTE
Diseñador: La construcción de un secador solar se basa en la aplicación de unatecnología sencilla y apropiada para ser aplicada tanto a nivel doméstico, como
para pequeños productores y aún para industrias comunitarias. Su aplicaciónpermite la conservación de alimentos, como son las frutas y legumbres, que alser deshidratados mantienen una gran proporción de su valor nutritivo original.Estos componentes se describen en la siguiente sección, pero básicamente son elcolector solar y la cámara de secado. El trabajo siguiente consiste en el diseño deequipo para el secado de productos que hoy en día son secados a aire libre en loslugares donde no se emplean tecnologías de secado y sobre todo no se da elaprovechamiento de los rayos solares pues de esta manera se pueda reducir elconsumo de energía eléctrica haciendo el uso de la energía solar. El uso de esteequipo es imprescindible para cualquier tipo de secado y sobre todo económico.
Cliente: el cliente tiene la completa razón de enterarse a cerca de este equipo,el uso, el precio y como interviene en el usuario. El cliente tiene la capacidad de
intervenir o mejorar lo que el diseñador manifiesta a cerca de este equipo
“secador solar”.
Usuario: el usuario o consumidor tendrá la entera satisfacción del uso adecuado
de este “secador solar” y emplear para cualquier tipo de secado y la más
conveniente el costo es económico.
II. FORMULACIÓN DEL PROBLEMAEl secado tradicional, expuesto directamente en el suelo y al ambiente libre no
solo está sometido a una permanente contaminación, sino también a pérdidas
que en muchos casos son mayores al de la producción.
Figura 1. Secado tradicional de productos
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1. Objetivos Diseñar un secador solar para mejorar el secado el secado tradicional de
productos secados y deshidratados. “SECADORES SOLARES DIRECTOS,
INDORECTOS” que operen utilizando un gran porcentaje de energía solar.
2. Identificar restricciones
Baja Calidad del Producto secado Indicadores de contaminación Pérdidas por depredación de roedores (conejos silvestres), u otros Grado de coloración no uniforme Pérdidas de las características organolépticas por resecamiento del
producto etc.
3. Establecer funciones
El proceso de secado elimina de los alimentos la cantidad de aguarequerida para evitar las condiciones favorables para la aparición deefectos destructivos de mohos, levaduras, bacterias y enzimas, es decirlos hace más resistente a daños y, por lo tanto, se pueden conservar mástiempo.
La utilización de un secador solar proporciona varias ventajas desde elpunto de vista práctico y económico. Si se cuenta con un medio paraconservar los alimentos, el desperdicio que se puede tener a causa de unasobreproducción se ve reducido; se pueden comprar productos entemporada, cuando son más baratos, y conservarlos deshidratados parautilizarlos cuando estén fuera de época; deshidratando frutas se puedenobtener golosinas nutritivas, saludables y económicas evitando el
consumo de productos chatarra. Desde el punto de vista de una sociedad igualitaria este proyecto fomenta
el trabajo en equipo, mejora la alimentación y la economía, y reduce elconsumismo de productos chatarra o envasados por empresastransnacionales, las cuales utilizan una gran cantidad de conservadores.
Además, se promueve el consumo de los productos de la zona y se ayudaa los productores a mejorar el aprovechamiento de sus cosechas. Estetipo de proyectos fortalece la cohesión de grupos y propicia una mayorrelación entre productores e instituciones educativas que pudiesenapoyar en el mejoramiento de los diseños, fomentando la colaboración ysolidaridad de estudiantes con las iniciativas ciudadanas.
III. DISEÑO CONCEPTUAL1. Establecer especificaciones de diseño
CONDICIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR
A partir de un pre diseño adecuado para el producto a ser deshidratado, deberáconocerse ciertas características, como ser: humedad, temperatura, humedad,etc., entonces tomamos las siguientes condiciones necesarias, para la
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construcción del secador solar:
a. METEOROLÓGICAS.- Para esto debemos conocer el lugar donde va a serinstalado, o por lo menos tener referencias de las zona como ser: lavelocidad del viento, altitud humedad relativa, etc, entonces conociendo
todos estos aspectos se toma en cuenta la resistencia del secador hacerconstruido.
b. OPERABILIDAD.- Esta condición es bastante importante conocer otener referencia en cuanto a la vía de comunicaciones y distancia de lazona, entonces para zonas alejadas, el secador debe ser desmontable,para así facilitar el transporte, para zonas poco alejadas, los secadoresserá parcialmente desmontables y por último apara zonas cercanas lossecadores pueden ser totalmente fijos.
c. TIPOS DE BANDEJAS.- existen tras tipos de bandejas que están dadaspor las característica del producto y el diseño del secador:
1. Bandejas Fijas.- Son bandejas que están fijadas en la estructura y queademás ayuda a rigidizar en el secador, se utiliza para productos pesados,ejemplos: Durazno, higo, arroz, etc.
2. Bandeja móviles.- Son bandejas portátiles o deslizantes, a través derieles, la cual permite el fácil manejo del producto junto con la bandeja, dentro yfuera del secador, facilita la limpieza. Son utilizados para productos livianos,
ejemplo: rocoto en rodajas, papa rallada, plátano en rodajas.
3. Bandejas Combinadas.- Es el complemento de los dos tipos de secadoresdiseñados generalmente con pasillo, existen bandejas fijas y en la parte delpasillo se aprovecha el espacio con las bandejas móviles ya sea deslizantes oportátiles. Son utilizados en productos ligeramente pesados, ejemplos: alfa alfa,etc.
OPERATIBILIDAD DE SECADORES SOLARES
a.- Secadores Solares desmontables.- Son aquellos que en su totalidad desus piezas de la estructura se adosan entre tetones y hembras, donde estas a suvez van aseguradas por pernos. Estos secadores son diseñados máspropiamente para prototipos en las cuales no es fácil el traslado, montaje ydesmontaje.
b.- Secadores Solares Semi - desmontables.- son aquellos secadores quetienen arcos fijos y que simplemente, están separados por travesaños
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asegurados por pernos en estos secadores las bandejas pueden ser fijas comomóviles.
c.- Secadores Solares Fijos.-estos secadores son de estructura fija, o sea sonunidas en todas sus partes por soldadura oxígeno-acetileno.
CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES
Se clasifican según el modo de calentarse o manera que se utiliza el calorderivado de la radiación solar:
1. Secadores solares directosSon aquellos secadores donde el producto a deshidratarse, se coloca en unreceptáculo con cubierta o panales laterales transparentes. El calor es generadopor la absorción de radiación solar sobre el producto mismo así como lassuperficies internas de la cámara secadora. Este calor evapora la humedad delproducto que ha de sacar. Además sirve para expandir el aire en el recinto,provocando así la eliminación de la humedad por la circulación del aire. Lacubierta de plástico estabilizado impide la filtración de rayos ultravioletas y ladisipación de los rayos infrarrojos, la cual evita el daño y pérdidas en cuanto asus propiedades nutritivas del producto, generalmente son usados para: frutas,legumbres, hortalizas y otros.
2. Secadores solares indirectosSon aquellos secadores en el que la radiación no cae directamente sobre el
producto, logrando secar en sombra o en oscuridad. Esta clase de secadorrequiere de un colector adicional, éste absorbe el calor y luego transmite a lacámara de secado, estos secados son fijos en su estructura, se utiliza paraplantas medicinales, hierbas, rocoto, etc.
3. Secadores solares mixtos (directos e indirectos)En estos secadores, la acción combinada de la radiación no cae directamentesobre el material que se ha de secar, precalentado en colector solar y seconduce luego a la cámara de secado para deshidratar el producto.
4. Secadores solares de maderaEstos secadores se han puesto en una categoría especial, porque constituyen
una importante aplicación de esta tecnología, en la mayoría de los casos se
utiliza ventilación forzada, ya que la circulación apropiado del aire ayuda a
moderar el ritmo del secado a fin de evitar el endurecimiento superficial
5. Otros secadoresEn los sacadores de cámara el material se seca en receptáculo. En lossecadores bastidores o de bandejas el material se coloca sobre bastidores de
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tela metálica o similar. En los secadores híbridos se utilizan potra fuente deenergía como ser: un combustible o electricidad, para suministrar calor oventilación suplementarios.
Elementos de un secador solar.
Los elementos básicos de un secador solar son: el colector, donde la radiacióncalienta el aire, y la cámara de secado, donde el producto es deshidratado por elaire que pasa en su interior. El colector solar plano tiene como propósitoel calentamiento de un fluido, habitualmente agua o aire, comúnmente el fondo ycostados del colector son aislados térmicamente.
Colector.
Existen diferentes tipos de colectores solares tales como:
El colector con superficie absorbente metálica, la superficie absorbente esmetálica y para asegurar un mejor contacto térmico con el aire la misma
suele ser ondulada o doblada en V, la superficie transparente puede serde vidrio o de plástico, se sabe que los colectores metálicos suelen tenerun costo mayor pero trabajan con mejor eficiencia térmica.
Otro tipo de colector es el colector con superficie absorbente de plástico,en estos colectores la superficie absorbente está fabricada con un plásticonegro, el absorbente está construido con una manga de color negro que seinfla con el paso del aire, en este tipo de colectores no se usa aislantetérmico, debe cuidarse especialmente una circulación adecuada de airepara evitar que el plástico negro aumente mucho su temperatura, en cuyocaso puede fundirse o quemarse.
El colector de matriz porosa. El colector está constituido por un ducto cuya
superficie superior es transparente, a lo largo del mismo se extiende endiagonal una superficie negra porosa, la misma puede estar construida convarias capas de malla metálica pintada y otro material similar a la fibra devidrio. El aire entra por la parte superior del ducto y atraviesa la malla,que se calienta al sol, de arriba abajo. Estos colectores logran un muybuen contacto térmico entre la superficie absorbente y el aire debido a lagran superficie de la malla porosa.
Cámara de secado.
Existen diversos tipos de cámara de secado siendo uno de los más relevantes laestantería, en la cual el producto es colocado en un conjunto de estantes
superpuestos y expuestos al aire. Habitualmente el estante es construido conalgún material perforado como puede ser malla de alambre, estructura de caña.El gabinete, es otro tipo de cámara de secado que consta de una caja con unasola bandeja donde se coloca el producto. El mismo puede ser horizontal oinclinado, habitualmente una de sus caras permite la entrada de la radiación paraefectuar el secado. La Cabina es también una cámara de secado, consta de unacaja pero en vez de una sola bandeja, usa varias súper puestas como parte deuna estructura vertical, habitualmente las bandejas tienen su fondo perforado, en
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algunos casos sus lados o techos permiten la entrada de radiación.
2. Generar alternativas
La energía del Sol, se puede utilizar correctamente para beneficio de la salud y
para la economía familiar. Para ello, se han creado métodos o procedimientos
que aseguran un buen proceso secado a través de aparatos especialmente
diseñados.
Conservarlos alimentos durante muchos meses y consumirlosconservados en períodos de escasez o fuera de temporada.
Asegurar la calidad de la alimentación de la f amilia durantetodo el año.
Aprovechar la energía gratis y limpia del sol y la gran cantidadde frutas que todos los años se producen, como mangos, piñas,aguacates y entre otras sólo durante muchos meses.
Generar trabajo. Las frutas y otros alimentos, se pueden secar,guardar adecuadamente y preparar para la venta, de esta manera
se puede abrir una nueva fuente de trabajo. La elaboración de
frutas secas para consumo directo o en galletitas o en panes es
ahora, muy valorado por el azúcar y las vitaminas que poseen.
Para un mayor rendimiento, algunos modelos de secaderos solares de gran
capacidad disponen de un sistema de calefacción combinado. Se usa un
combustible o energía eléctrica como fuente de energía auxiliar para los
periodos con deficiencia de radiación solar, para los días nublados y para seguir
trabajando en horas de la noche.
El proceso de secado se produce por la acción de aire cálido y seco, que pasa
por los productos a secar, ubicados generalmente en bandejas en el interior del
secadero. De esta forma la humedad contenida en los alimentos se evapora a la
superficie de los mismos y pasa en forma de vapor al aire, que los rodea.
IV. DISEÑO PRELIMINAR
Una vez que seleccionamos el tema, el siguiente paso consistió en definir lomejor posible las características del proyecto, para lograrlo realizamos una
búsqueda de información sobre diferentes tipos de secadores solares y suprincipio de funcionamiento. Esta búsqueda se hizo en internet y preguntando aamigos y conocidos que conocían del tema. Encontramos que a nuestro alrededorexisten personas con conocimientos especializados que nos pueden ayudar,siendo indispensable que nosotros tengamos claro qué es lo que deseamoshacer, es decir, saber preguntar. Finalmente, se elaboró un diseño preliminar delsecador, esto nos permitió identificar los componentes principales del secador
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solar. Estos componentes se describen en la siguiente sección, pero básicamenteson el colector solar y la cámara de secado.Uno de los requerimientos del proyecto es aprovechar al máximo los objetos que
podamos encontrar en nuestro entorno cercano y reutilizarlos. Considerando esto
y comprendiendo las características de los componentes principales de secador,
nos dimos a la tarea de buscar objetos que pudiésemos utilizar para construir elcolector solar y la cámara de secado.
1. Modelar o analizar el diseño
Secador directo:
Bandeja con
Producto
Cubierta de vidrio
transparente
Ventanilla para
la salida de aireHúmedo
Pared
aislante
Agujeros para la
entrada de aire fresco
Entrada del
producto
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Figura 1. Vista lateral del diseño de secador solar
Secador indirecto:
Figura 3. Diseño del colector
2.80m
1.20m
1.50m
1
3
2
4
6
5
1. Colector
2. Entrada de aire fresco
3. Salida de aire caliente
4. Entrada de bandeja
5. Bandeja
6. Cubierta de vidrio
transparente
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Figura 4. Diseño del secador solar indirecto
2. 3. Probar y evaluar el diseño
secado del chuño tradicional.
Lamina de aluminio
Bandeja de secado
del roducto
Registrador de
velocidad de viento
Chimenea
Salida de aire
caliente y húmedo
Caja mentor
Caja
Tuerca fijadora
de la puerta
Ranura de
lanzamiento
Puerta deslizablePuerta de ingreso
de aire frio
Aislamiento de
tecnoport
Placa absolvedora
de radiación
1.00m
0.20m
0.88m
0.80m
0.10m
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Secado del chuño en el secador solar:
Aplicación del secador para otros productos
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Figura 6. Resultados del secado en el secador solar.
V. ISEÑO DETALLADO
5.1.- Afinar y optimizar el diseño
5.1.1.- Principio de funcionamiento.
El secador solar elimina la humedad de los alimentos por medio de absorción de
la humedad al circular un flujo de aire caliente a través de los alimentos. Existen
varios tipos de secadores solares, el que nosotros implementamos es de tipo
indirecto, donde el colector solar y la cámara de secado están separados. Su
principio de funcionamiento es el siguiente: el aire entra a temperatura
ambiente al colector solar y es calentado en él por efecto invernadero, una vez
calentado el aire en el colector éste tiende a circular por efecto de una diferenciade presión, circulando hacia la cámara de secado, el aire caliente con la
humedad extraída de los alimentos es expulsado por una chimenea, este
proceso continúa cíclicamente mientras el colector solar se encuentre expuesto
a la radiación solar. En la siguiente figura se pueden este principio de
funcionamiento y los dos principales componentes del secador solar.
5.1.2.- Construcción.
Como se mencionó anteriormente, uno de los requerimientos del proyecto es
la construcción del secador solar utilizando componentes de reuso. La forma
como se construyeron los dos principales componentes se describe a
continuación.
Colector solar.
Utilizamos una caja de madera que había servido para construir un jardín zen,
por lo que tenía algunas divisiones de madera que hubo que eliminar. Una vez
retiradas las separaciones cubrimos el fondo con una bolsa de plástico negro.
Para la entrada de aire se realizaron seis perforaciones en el frente y para evitar
la entrada de insectos se colocó en ellos tela de alambre. Para mantener más
tiempo el calor en el colector, colocamos algunas piezas de carbón, los
travesaños de madera que se aprecian en la tercera y cuarta imagen se
colocaron para mejorar el fijado de la cubierta plástica y para evitar que el
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carbón que colocamos se deslice, dado que el colector tendrá una posición
inclinada. Finalmente, colocamos una cubierta de acrílico transparente. El uso
de vidrio en vez de acrílico es más apropiado, sin embargo siguiendo el requisito
de reutilización de partes, utilizamos un acrílico que alguien tenía en casa y no
utilizaba.
Cámara de secado.
Utilizamos una caja de madera que había servido para guardar objetos como
lápices y artículos de oficina varios. La caja era ideal para ser usada como
cámara de secado ya que estaba totalmente cerrada y tenía una puerta
deslizable. Para acondicionarla sólo fue necesario realizar las perforaciones
necesarias para el paso del aire caliente proveniente del colector solar, así
como una perforación más para la chimenea. Finalmente se colocaron guíaspara colocar las bandejas de secado, utilizando material que encontramos por
ahí. Las charolas las construimos provisionalmente con tela de alambre, sin
embargo, como se trata de manejo de alimentos, se recomienda que las
charolas sean de acero inoxidable o, en su defecto, de plástico, de tal forma que
puedan lavarse cada vez que vaya a colocarse alimento.
Ensamblado
El ensamblado de los componentes principales se realizó de tal manera que
pudiese ser desensamblado fácilmente, con la finalidad de poder
experimentar con diferentes materiales e instalar algún tipo de medición
de temperatura, pero sobre todo para poder mostrarlo con fines didácticos. Esto
lo logramos utilizando un travesaño de soporte para nivelar la cámara de secado
debido a la inclinación necesaria en el colector solar, y uniéndolas por medio de
bisagras. Se agregó un aseguramiento adicional por medio de una aldaba para
evitar que el aire derribe a la cámara de secado. Finalmente, para lograr la
inclinación del colector solar se utilizaron dos ménsulas.
VI. COMUNICACIÓN DEL DISEÑO
Diseñador
Cliente
Usuario
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Este triángulo diseñador, cliente y usuario es un esfuerzo donde intervienen las
tres partes, a partir de esta comunicación satisfaces las necesidades de ambos
grupos.
VII. DECISIÓN FINAL
Un diseño de equipo como el secador solar de alimentos permite la aplicación deconocimientos sobre diseño, simulación y manejo de máquinas herramientas.Así como la experiencia de trabajar en conjunto con profesores expertos entemas de construcción y energías alternativas, permitiendo la retroalimentaciónde los estudiantes ya que ponen en práctica habilidades y conocimientosadquiridos durante los cursos y sus experiencias previas en prácticasprofesionales. Este diseño de secador solar permite a los estudiantes interactuarcon otros compañeros que puedan brindar consejos y aportar experiencia para
el logro de objetivos.En futuros trabajos se continuará con las pruebas térmicas del prototipode secador solar y las con los diferentes productos de nuestra región.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aldo H. Santamaría Pérez, Marina I. García Rosas, Juan F.Bárcenas Graniel. (2008). “Diseño de un prototipo de secador solarpara el beneficio de la vainilla” . XXXII Semana de Energía Solar. MéridaYuc. Octubre, p. 571
– 575. Duffie and Beckman. (1991) Solar Engineering of Thermal Processes.2da.
Ed. Wiley and Son. Inc. N.Y. Adolfo Genaro Finck Pastrana, (2007), Curso de Secado Solar,
XXXI Semana de Energía Solar, Zacatecas, Zac.
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