1

BORRADOR PROYECTO DE GRADO

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CARACACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE UN SECADOR SOLAR DE TUNEL TIPO HOHENHEIM

DE CONVECCIÓN FORZADA

JUAN SEBASTIAN PORRAS FIERRO

Correo: js.porras3030@uniandes.edu.co

Asesor:

GREGORIO ORLANDO PORRAS REY, Dr. Sc Profesor Asociado del departamento de Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C Diciembre, 2013

2

Cada una de las siguientes páginas, logros y aciertos están dedicados a Él.

Al Creador, Proveedor, Justo, Eterno, Inmutable, Perfecto, Santo, Sabio,...

De todas las cosas creadas.

Sin Él éste proyecto nunca hubiera sido.

3

AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer al profesor Orlando Porras, por su excelente labor como asesor durante el transcurso del proyecto. Especialmente por su disposición para enseñar y aconsejar en todo momento. Agradezco a los técnicos de los Laboratorios de Manufactura y Conversión de Energía de la Universidad de Los Andes. Especialmente a Juan David Hernández, Jorge Reyes y Omar Amaya por su excelente asesoría y atención durante la etapa de construcción. Agradezco a Don Ignacio Cruz quien siempre se ha interesado en mejorar y tecnificar el campo Colombiano, permitiéndonos trabajar en su terreno y ayudándonos en el proceso de construcción y caracterización de los secadores. Agradezco a mi familia por darme su apoyo y atención incondicional. Especialmente a mi padre Juan Carlos Porras, por su respaldo y apoyo espiritual, a mi mamá Lucero Fierro por su cuidado y protección, y a mi hermana Mariana por la alegría y paciencia necesaria en los momentos de dificultades. Finalmente agradezco a cada una de las personas que me dieron su ayuda aun sin conocerme, y estoy seguro que el resultado de este proyecto hubiera sido distinto de no ser por su colaboración.

4

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 11

1.1. ANTECEDENTES .................................................................................................................... 11

1.2. MOTIVACIÓN .......................................................................................................................... 12

1.3. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 13

1.4. ESTRUCTURA ......................................................................................................................... 13

2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 14

2.1. EVAPORACIÓN ....................................................................................................................... 14

2.2. CURVA DE SECADO .............................................................................................................. 14

2.3. PSICROMETRÍA ..................................................................................................................... 16

2.4. DIAGRAMA PSICROMÉTRICO ......................................................................................... 17

2.5. SECADORES SOLARES ........................................................................................................ 17

2.5.1. Secadores directos ..................................................................................................... 17

2.5.2. Secadores indirectos ................................................................................................. 18

2.5.4. Secadores pasivos ....................................................................................................... 18

2.5.5. Secadores activos ........................................................................................................ 19

2.5.6. Secador solar Hohenheim ...................................................................................... 20

2.5.7. Secador Hohenheim modificado convección natural .............................. 21

3. DISEÑO DEL SECADOR ................................................................................................................ 22

4. MODELO TEÓRICO ........................................................................................................................ 27

5. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR .............................................................................................. 32

6. CARACTERIZACIÓN SIMULTANEA ........................................................................................ 36

6.1. DESCRIPCIÓN ......................................................................................................................... 36

Piranómetro espectral de precisión................................................................................... 37

Balanza de humedad XM 120 ................................................................................................. 37

6.2. INSTRUMENTACIÓN ........................................................................................................... 38

6.2.1. Termo-anemómetro de hilo caliente ............................................................... 38

6.2.2. Termo-higrómetro con adquisición y registro de datos (HOBO) ...... 38

6.2.3. Piranómetro espectral de precisión ................................................................. 39

6.2.4. Balanza de humedad XM 120................................................................................ 39

5

6.3. MONTAJE EXPERIMENTAL .............................................................................................. 39

6.3.1. Montaje y configuración HOBO´s ........................................................................ 41

6.3.2. Montaje y calibración piranómetro .................................................................. 41

6.3.3. Operación ventiladores ........................................................................................... 43

6.3.4. Velocidad de aire interno ....................................................................................... 45

6.3.5. Muestreo .......................................................................................................................... 46

7. RESULTADOS Y ANÁLISIS ......................................................................................................... 47

7.1. RESULTADOS MODELO TEÓRICO ................................................................................ 47

7.1.1. Variables del proceso de secado ......................................................................... 47

7.1.2. Dimensionamiento ventilación ........................................................................... 53

7.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES ................................................................................. 55

7.2.1. Temperatura ................................................................................................................. 55

7.2.2. Humedad relativa ....................................................................................................... 59

7.2.3. Radiación ......................................................................................................................... 62

7.2.4. Operación de ventiladores ..................................................................................... 65

7.2.5. Velocidad de viento.................................................................................................... 66

7.2.6. Contenido de humedad ............................................................................................ 67

8. ANÁLISIS ECONÓMICO ................................................................................................................ 69

9. CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 70

10. RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 71

11. REFERENCIAS ............................................................................................................................. 73

12. ANEXOS .......................................................................................................................................... 75

Lista de tablas, figuras, imágenes y graficas Lista de tablas

Tabla 1. Resumen de instrumentos y sistemas de medición .................................................. 37

Tabla 2. Cronograma y puntos de recolección de muestras.................................................... 46

Tabla 3. Parámetros establecidos en modelo teórico ................................................................ 47

Tabla 4. Valores de parámetros para determinar el tiempo de secado .............................. 52

Tabla 5. Promedio temperatura externa e interna de ambos secadores ........................... 57

Tabla 6. Promedio humedad relativa externa e interna de ambos secadores ................. 60

Tabla 7. Promedio de velocidad del aire interno en el secador de convección forzada67

6

Tabla 8. Parámetros para la evaluación económica de los secadores ................................. 69

Tabla 9. Costos asociados a cada secador....................................................................................... 69

Lista de imágenes

Imagen 1. Secador solar tipo Hohenheim. Pasca, Cundinamarca. Fuente: GOMEZ ........ 12

Imagen 2. Secador Hohenheim. Fuente: HOHENHEIM UNIVERSITY .................................. 20

Imagen 3. Partes secador Hohenheim. A. colector. B. cámara de secado. Fuente:

HOHENHEIM UNIVERSITY ................................................................................................................... 20

Imagen 4. Secador Hohenheim modificado. Chimenea. Fuente: UNIVERSIDAD DE LOS

ANDES .......................................................................................................................................................... 21

Imagen 5. Secador Hohenheim modificado A. cámara de secado. B. sistema de agarre

del platico Fuente: UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ..................................................................... 21

Imagen 6. Perfiles de aluminio seleccionados .............................................................................. 24

Imagen 7. Riel curvo y alambre en zig-zag. Fuente: HYDROENVIRONMENT ................... 25

Imagen 8. Forma de ensamble entre agarradera y plástico. Fuente:

HYDROENVIRONMENT ......................................................................................................................... 26

Imagen 9. Materiales para sellado térmico. izquierda.) Cartonplast o plástico

corrugado (VINILOS Y GRAFICOS DIGITALES). derecha.) Superboard (SKINCO

COLOMBIT). ............................................................................................................................................... 26

Imagen 10. Montaje final secador solar túnel de convección forzada. Superior) Vista

frontal. Inferior) Vista posterior. ....................................................................................................... 33

Imagen 11. Sistema de agarre. Izquierda) Lado removible. Derecha) Lado fijo. ............ 34

Imagen 12. Izquierda) Colector. Derecha) Soporte de vidrios ............................................... 34

Imagen 13. Fisura en los costados de la costilla .......................................................................... 35

Imagen 14. Arruga del plástico invernadero alrededor de las costillas ............................. 35

Imagen 15. Distancia de ajuste inadecuada para la nivelación del secador ...................... 36

Imagen 16. Distribución de las bandejas dentro del secador de convección forzada. .. 40

Imagen 17. Montaje de los HOBO´s internos ................................................................................. 41

Imagen 18. Montaje piranómetro ...................................................................................................... 43

Imagen 19. Montaje de prueba de ventiladores alimentados con osciloscopio .............. 44

Imagen 20. Montaje de prueba de ventiladores alimentados con baterías ....................... 44

Imagen 21. Medición de velocidad de aire interno. .................................................................... 45

Imagen 22. Soporte de muestras. ...................................................................................................... 46

Lista de figuras Figura 1. Curva cinética de secado. Fuente: Dávila ..................................................................... 15

Figura 2. Velocidad de secado Fuente: Dávila............................................................................... 15

7

Figura 3. Diagrama psicrométrico. Wikipedia (2013, Noviembre 20) ................................ 17

Figura 4. Principio de secado solar al aire libre. Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS 18

Figura 5. Secador solar mixto. Fuente: Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS .................. 18

Figura 6. Secadores indirectos. a.) secador de cabina b.) secador tipo invernadero. ... 19

Figura 7. Secador activo de circulación forzada. Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS 19

Figura 8. Boceto patas ajustables ...................................................................................................... 25

Figura 9. Angulo de inclinación recomendado para invernaderos. ...................................... 27

Figura 10. Esquema de transferencia de calor y masa de un secador solar tipo túnel. 27

Figura 11. Coeficiente pérdida por expansión y contracción súbita. Fuente: WHITE .. 32

Figura 12. Montaje experimental....................................................................................................... 40

Figura 13. Circuito adquisicion y medición de corriente a través de los ventiladores 45

Figura 14. Puntos de medición de velocidad de aire. ................................................................. 45

Figura 15. Perfil de temperatura debido a la conducción unidireccional en una pared

compuesta. Fuente: WELTY. ................................................................................................................ 75

Figura 16. Perfiles de Velocidad y Temperatura para un fluido que pasa sobre una

superficie caliente. Fuente: WELTY ................................................................................................. 76

Figura 17. Perfil de temperatura a lo largo de un ducto a.) flujo de calor constante. B.)

temperatura superficial constante. Fuente: INCROPERA ........................................................ 77

Lista de gráficas

Gráfica 1. Curva de calibración del piranómetro espectral de precisión ........................... 42

Gráfica 2. Curva de amplificación de voltaje ................................................................................. 42

Gráfica 3. Temperatura del aire externo e interno Vs. Velocidad de ventilación. ........... 48

Gráfica 4. Humedad relativa del aire externo e interno Vs. Velocidad de ventilación .. 49

Gráfica 5. Coeficiente de convección másica y número de Reynolds Vs. Velocidad de

ventilación .................................................................................................................................................. 50

Gráfica 6. Transferencia calor y masa Vs. Velocidad de ventilación ................................... 50

Gráfica 7. Transferencia de calor y masa limitado Vs. Velocidad de ventilación. ........... 51

Gráfica 8. Tiempo de secado Vs. Velocidad de ventilación ...................................................... 53

Gráfica 9. Condiciones de operación del sistema de ventilación para diferentes

velocidades. ................................................................................................................................................ 54

Gráfica 10. Potencia requerida por el sistema y tasa de evaporación de agua. ............... 54

Gráfica 11. Temperatura externa e interna en el secador de convección forzada ......... 56

Gráfica 12. Temperatura externa e interna del secador de convección natural. ............ 56

Gráfica 13. Temperatura externa e interna del secador de convección forzada

19/11/2013 ............................................................................................................................................... 58

Gráfica 14. Temperatura externa e interna del secador de convección natural

19/11/2013 ............................................................................................................................................... 58

Gráfica 15. Humedad relativa del aire en el secador de convección forzada ................... 59

8

Gráfica 16. Humedad relativa del aire en el secador de convección natural. ................... 60

Gráfica 17. Humedad relativa del aire en el secador de convección forzada. 19 y 20

Noviembre/13 .......................................................................................................................................... 61

Gráfica 18. Humedad relativa del en el secador de convección natural. 19 y 20

Noviembre/13 .......................................................................................................................................... 61

Gráfica 19. Radiación solar y temperatura interna en el secador de convección forzada

......................................................................................................................................................................... 63

Gráfica 20. Radiación solar y temperatura interna en el secador de convección natural

......................................................................................................................................................................... 63

Gráfica 21. Radiación solar y temperatura interna del secador solar de convección

forzada. 19 y 20 de Noviembre. .......................................................................................................... 64

Gráfica 22. Radiación solar y temperatura interna del secador solar de convección

forzada. 19 y 20 de Noviembre. .......................................................................................................... 64

Gráfica 23. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna en el secador

de convección forzada ............................................................................................................................ 65

Gráfica 24. Velocidad de aire al interior del secador de convección forzada ................... 66

Gráfica 25. Curva de secado del almidón de achira en el secador a convección forzada

......................................................................................................................................................................... 68

Gráfica 26. Curva de secado del almidón de achira en el secador a convección natural

......................................................................................................................................................................... 68

Lista de Ecuaciones

Ecuación 1. Contenido de humedad en base húmeda ................................................................ 14

Ecuación 2. Contenido de humedad en base seca ....................................................................... 14

Ecuación 3. Humedad relativa del aire ............................................................................................ 16

Ecuación 4. Cambio de energía interna del aire dentro del colector. .................................. 28

Ecuación 5. Conservación de masa del aire dentro del colector............................................ 28

Ecuación 6. Modelo transferencia de calor en flujo interno con pared isotérmica. ....... 28

Ecuación 7. Número de Reynolds ...................................................................................................... 29

Ecuación 8. Número de Prandtl .......................................................................................................... 29

Ecuación 9. Número de Nusselt. ......................................................................................................... 29

Ecuación 10. Numero de Nusselt – Flujo Interno Desarrollado.Fuente: KAYS ................ 29

Ecuación 11. Calor de convección transferido del aire hacia el producto. ........................ 29

Ecuación 12. Conservación de masa en la cámara de secado ................................................. 29

Ecuación 13. Modelo de transferencia de masa ........................................................................... 30

Ecuación 14. Número de Schmidt ...................................................................................................... 30

Ecuación 15. Número de Sherwood .................................................................................................. 30

Ecuación 16. Número de Sherwood – Flujo interno desarrollado ........................................ 30

Ecuación 17. Tasa de evaporación de agua .................................................................................... 30

9

Ecuación 18. Cambio de presión. ....................................................................................................... 31

Ecuación 19. Cabeza de presión ......................................................................................................... 31

Ecuación 20. Cabeza dinámica ............................................................................................................ 31

Ecuación 21. Cabeza de pérdidas por fricción .............................................................................. 31

Ecuación 22. Caudal dentro del secador ......................................................................................... 32

Ecuación 23. Potencia requerida por los ventiladores .............................................................. 32

Ecuación 24. Tiempo de descarga de baterías .............................................................................. 43

Ecuación 25. Ley de Fourier / Conducción .................................................................................... 75

Ecuación 26. Ley de Enfriamiento de Newton / Convección .................................................. 76

Ecuación 27. Decaimiento térmico - convección - flujo de calor constante ...................... 76

Ecuación 28. Decaimiento térmico - convección - pared isotérmica .................................. 77

Ecuación 29. Transferencia de calor por convección – flujo interno – pared isotérmica

......................................................................................................................................................................... 77

Ecuación 30. Diferencia de temperatura media logarítmica ................................................... 77

Ecuación 31. Diámetro hidráulico ..................................................................................................... 78

Ecuación 32. Ley de Fick de transferencia de masa ................................................................... 78

Ecuación 33. Relación Coeficiente de Difusión, Presión y Temperatura. ........................... 78

Ecuación 34. Transferencia de masa por convección ................................................................ 79

Ecuación 35. Transferencia de masa en flujo interno ................................................................ 79

LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA ................................ 75

ANEXO 2. MEDICIÓN PORCENTAJE HUMEDAD EN ALMIDÓN .............................................. 80

ANEXO 3. LISTA HERRAMIENTA TRABAJO EN CAMPO ........................................................... 80

ANEXO 4. LISTA MATERIALES CONSTRUCCIÓN ......................................................................... 81

ANEXO 5. COTIZACIÓN MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN .................................................... 82

ANEXO 6. PROCESO DE MANUFACTURA ....................................................................................... 83

ANEXO 7. DIAGRAMA ELÉCTRICO. ................................................................................................... 88

......................................................................................................................................................................... 89

ANEXO 9. CODIGO EES - MODELO TEORICO TRANSFERENCIA CALOR Y MASA .........101

10

Nomenclatura Índices

Área Transversal Área Superficial

Concentración Masa/Volumen

Calor específico [

]

Coeficiente de difusión de A en B Coeficiente de convección Transferencia de masa m Masa Flujo másico Perímetro Calor

RH Humedad Relativa Temperatura Velocidad del aire V Volumen Humedad específica Sub Índices

A Especie A Convección Ext Externo Media Logarítmica Media

mix Mezcla de aire seco y vapor de agua Entrada/In Salida/Out w Mojado/Wet Caracteres en Latín

Humedad específica Masa Agua/ Masa Mezcla

Densidad [

]

Viscosidad Abreviaturas

Número de Schmidt Número de Sherwood Número de Reynolds Número de Prandtl Número de Nusselt

11

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ANTECEDENTES

Una de las primeras fuentes de energía usadas por el ser humano fue la energía solar. Durante la prehistoria la radiación solar fue la única fuente de energía térmica conocida hasta el descubrimiento del fuego, usada principalmente para preservar la comida durante el invierno, secar elementos cerámicos y pieles de animales. Con el paso del tiempo la tecnología del secado tomó importancia debido a la necesidad del hombre por prolongar el estado de los alimentos. En el siglo XIX, con el desarrollo industrial y la escasez de alimentos en algunas partes del planeta, se empezaron a desarrollar secadores artificiales de mayor capacidad de secado usando combustibles fósiles como fuente térmica. También se desarrollaron otro tipo de secadores que seguían trabajando con energía solar pero que adicionaban elementos que permitían dirigir y adecuar el secado a las condiciones existentes. (Belessiotis & Delyannis) El secado de alimentos es el proceso en el que se retira humedad de los productos después de ser recolectados. Este proceso es de vital importancia en la preservación de estos, ya que la presencia de humedad promueve el crecimiento de bacterias que inician el proceso de descomposición del alimento. El contenido de humedad en base seca mínimo que la mayoría de productos agrícolas deben alcanzar para su comercialización se encuentra entre 10 y 20%. Aproximadamente, para evaporar 1 kg de agua a 20”C se requiere como mínimo 2400kJ. Ésta cantidad de energía puede ser mayor dependiendo del tipo de material en el que esté contenida el agua. El uso de secadores solares para el secado de productos agrícolas se ha extendido en los últimos años en países subtropicales en vía de desarrollo debido a la alta radiación solar a lo largo todo el año y el bajo acceso tecnológico en las zonas rurales. En Colombia en los últimos años ha habido interés por parte de los gobiernos departamentales, universidades y entidades, por mejorar la calidad de los productos agrícolas y las condiciones de trabajo de los campesinos mediante la investigación y transferencia tecnológica entorno al uso de energías renovables. La universidad de los Andes, en colaboración con la Cámara de Comercio de Bogotá y el Banco Interamericano de Desarrollo, en el marco del programa de “Promoción de Oportunidades de Mercado para Energías Limpias y Eficiencia Energética” (OPEN), ha trabajado con la red de agricultores de Pasca ASUFRUPEC PASCA, para usar energías limpias en el mejoramiento de la producción de almidón de achira. Uno de los proyectos desarrollados bajo el programa OPEN en el 2010 fue la transferencia tecnológica de un secador solar tipo Hohenheim (Imagen 1) para el secado del almidón de Achira en la zona rural del municipio de Pasca, Cundinamarca. Este secador solar hecho de madera tiene la capacidad de funcionar por convección natural o forzada, ya que posee una chimenea que promueve el flujo natural del aire, sin necesidad de un elemento externo gracias a la diferencia de densidades y también tiene acoplados dos ventiladores alimentados por baterías que imprimen el aire hacia interior del secador si se requiere trabajar forzadamente.

12

Imagen 1. Secador solar tipo Hohenheim. Pasca, Cundinamarca. Fuente: GOMEZ

En el 2012 se llevó a cabo la caracterización de éste secador trabajando en diferentes modos con el propósito de determinar el modo más eficiente (Gómez, 2010), Dado que los experimentos se llevaban a cabo en diferentes días, el rendimiento del secador dependía estrechamente de las condiciones ambientales no replicables y no se logró determinar con certeza el modo de operación óptimo de este tipo de secador.

1.2. MOTIVACIÓN Con la motivación de hacer un uso más eficiente de los recursos tecnológicos y naturales, y reducir el costo de implementación de la tecnología de secado volviéndola más accesible al campesino. En éste proyecto se plantea la caracterización simultánea de un secador de convección forzada y otro de convección natural, para determinar el modo de operación más eficiente. Para esto se requiere construir en Pasca, Cundinamarca otro secador solar tipo Hohenheim que funcione por convección forzada y que sea dimensionalmente equivalente al construido anteriormente. Para luego realizar la caracterización simultánea de ambos secadores en términos de velocidad de secado y costos.

13

1.3. OBJETIVOS Objetivo General Comparación cuantitativa entre un secador solar tipo Hohenheim de convección forzada y uno de convección natural en término de sus principales parámetros de operación. Objetivos Específicos Diseño y construcción de un secador solar tipo Hohenheim de convección

forzada basado en el secador solar existente.

Caracterización simultánea del secador solar tipo Hohenheim de convección forzada y de su modelo alterno existente de convección natural.

Evaluación económica de la implementación de las dos variantes de secador solar tipo Hohenheim en el proceso de secado de almidón de Achira o Sagú.

1.4. ESTRUCTURA El siguiente documento hace parte del proyecto de grado donde se presentan los resultados y análisis obtenidos de la caracterización simultanea de un secador de convección forzada y otro secador de convección natural. El documento se divide en diez partes: En introducción se describen los antecedentes, la motivación y objetivos del proyecto. En el marco teórico se encuentran los principales conceptos involucrados en el proceso de secado. En el diseño del secador se describen las condiciones y restricciones que debe conservar el secador a construir. En el modelo teórico, se determinan los fenómenos y principios termodinámicos empleados para modelar el proceso de secado en un secador tipo túnel. En la construcción del secador, se muestran las principales partes y elementos del ensamble final, en la caracterización simultánea, se describe el experimento diseñado, los instrumentos usados y el montaje experimental, en los resultados y análisis, se muestran los resultados obtenidos del modelo teórico y de la caracterización simultánea. En las conclusiones se describen los principales hallazgos a los que se llegó al comprar los resultados obtenidos. Y finalmente en las referencias se muestra la bibliografía utilizada a lo largo del proyecto.

14

2. MARCO TEÓRICO

El secado es el proceso mediante el cual se remueve agua o algún otro líquido presente en un sólido. Este proceso es principalmente gobernado por los fenómenos de transferencia de calor y masa. En el secado de alimentos, la sustancia a retirar es el agua por lo que es necesario estudiar las propiedades termodinámicas del agua en estado saturado y gaseoso.

2.1. EVAPORACIÓN

Cuando un líquido está en contacto con un medio gaseoso se forma una capa en la superficie del líquido donde las moléculas en fase líquida pasan a una fase gaseosa. Tanto las moléculas del medio gaseoso como las de la capa superficial de la sustancia ejercen una presión llamada presión de vapor. Cuando la presión de vapor de la capa superficial de la sustancia se iguala con la presión de vapor del medio gaseoso, se llega a una condición de equilibrio donde la tasa de evaporación es igual a la tasa de condensación. La presión a la que ocurre el equilibrio es la presión de vapor saturado.

2.2. CURVA DE SECADO

La curva de secado es un esquema que muestra la cantidad de humedad contenida en un sólido en función del tiempo de secado. Esta cantidad se puede expresar usando el contenido de humedad en base húmeda ( ) o en base seca ( ) según la Ecuación 1 y Ecuación 2 respectivamente.

Ecuación 1. Contenido de humedad en base húmeda

Ecuación 2. Contenido de humedad en base seca

Donde es la masa de agua contenida en la masa del producto totalmente seco . Durante la primera etapa del secado A-B (Figura 1), el producto se encuentra con una capa delgada de líquido en la superficie de los poros a una presión de vapor menor a la de saturación debido a que el aire no ha transmitido suficiente calor al producto para alcanzar su punto de evaporación. Por esta razón la velocidad de secado en la zona A-B aumenta hasta que alcanza la velocidad crítica de secado cuando la humedad es removida a una tasa de secado constante (Figura 2).

15

Figura 1. Curva cinética de secado. Fuente: Dávila

Después de haber removido en la zona B-C toda la humedad libre a una tasa , se alcanza la cantidad de humedad crítica , humedad que está adherida a los capilares del sólido. Durante la zona C-D se remueve esta humedad a una velocidad decreciente. Si el proceso de secado continúa el producto alcanza el contenido mínimo de humedad llamado contenido de humedad en equilibrio .

Figura 2. Velocidad de secado Fuente: Dávila

16

2.3. PSICROMETRÍA Es ampliamente conocido que el aire seco contiene en volumen 78.08% de Nitrógeno, 20.94% de Oxigeno y 0.93% de Argón. Sin embargo, en la mayoría de los casos este aire seco se encuentra mezclado con una cantidad de vapor de agua variable. A esta mezcla se le llama aire húmedo y sus propiedades termodinámicas son el objeto de estudio de la psicrometría. Las principales variables usadas para determinar el estado termodinámico de la mezcla de vapor-aire son; la presión total, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, punto de rocío y el contenido de humedad. La temperatura de bulbo seco o temperatura ambiente, es la temperatura más comúnmente reportada y la cual es medida mediante un termómetro común. La temperatura de bulbo húmedo, es la mínima temperatura que puede alcanzar el aire debido a la evaporación del agua. También puede entenderse como la temperatura a la que se encuentra un objeto empapado de agua y rodeado de aire. Esta temperatura es siempre menor a la temperatura de bulbo seco excepto cuando la mezcla se encuentra en el punto de rocío donde las dos temperaturas son iguales. El punto de rocío es la temperatura en la que el vapor de agua contenido en el aire empieza a condensarse, al ser enfriado a presión constante y con la cantidad de vapor de agua constante. La cantidad de vapor de agua presente en el aire puede ser medida mediante: a. Humedad específica : es la relación entre la masa de vapor de agua y la

masa total de la mezcla de aire.

b. Humedad absoluta: Es la relación entre la masa de agua contenida en la mezcla

de aire y el volumen de la mezcla.

c. Humedad relativa: Es la relación entre la cantidad de humedad presente en el

aire con respecto a la máxima cantidad de humedad que puede ser contenida a determinada temperatura. Ésta se puede hallar en término de la presión de vapor mediante la Ecuación 3.

Ecuación 3. Humedad relativa del aire

17

Donde es la presión de vapor de agua y es la presión de vapor saturado de la mezcla a determinada temperatura.

2.4. DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

El diagrama psicrométrico es un gráfico que contiene los principales parámetros termodinámicos del aire húmedo. Este diagrama es único para determinada presión y altitud.

Figura 3. Diagrama psicrométrico. Wikipedia (2013, Noviembre 20)

Para conocer el estado termodinámico del aire mediante el diagrama psicrométrico se requiere conocer tres parámetros independientes. Por lo general uno de esos parámetros es la presión y las otras dos pueden ser la temperatura de punto de rocío, temperatura de bulbo húmedo, humedad específica o humedad relativa. Si se toma un punto P en el diagrama psicrométrico a determinada temperatura de bulbo seco (BS) y determinada humedad específica y se desplaza hasta el extremo izquierdo a humedad específica constante, se encuentra la temperatura de punto de rocío (PR). Si el desplazamiento se realiza paralelo a las líneas de entalpia, entonces se realiza un proceso adiabático y la temperatura de saturación sería la temperatura de bulbo húmedo (BH).

2.5. SECADORES SOLARES Un secador solar es un aparato que usa la radiación solar para extraer la humedad contenida en un sólido. La efectividad del proceso depende principalmente de las variables ambientales y de la radiación solar. Además una velocidad de viento baja acelera el proceso de secado. Existen varias formas de clasificación entre las más conocidas se encuentran; directo, indirecto, pasivo y activo.

2.5.1. Secadores directos Son secadores en donde la radiación solar cae directamente sobre el producto. Este tipo de secadores pueden usarse al aire libre (Figura 4) o poniendo una

18

cubierta transparente que proteja el producto de la lluvia, partículas minerales y animales.

Figura 4. Principio de secado solar al aire libre. Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS

2.5.2. Secadores indirectos Son secadores en donde la radiación solar no impacta directamente sobre el producto, sino que impacta sobre un colector que transfiere el calor hacia el aire que posteriormente calienta el producto mediante convección. 2.5.3. Secadores mixtos Son secadores donde la radiación solar es transferida de simultáneamente de forma directa e indirecta al producto. El secador mixto de la Figura 5 absorbe la radiación solar que pasa a través del plástico (a) en la zona del colector y en la cámara de secado (t). Parte de la radiación es absorbida por las piedras (s) en forma de calor latente y en ausencia de radiación este es transferido al aire.

Figura 5. Secador solar mixto. Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS

2.5.4. Secadores pasivos Son secadores que usan la circulación natural del aire. Es decir que no requieren fuentes convencionales de energía para imprimir velocidad o calor al aire que

19

circula. Este tipo de secadores son económicos, fácil de instalarse y son usados especialmente en zonas apartadas de la red eléctrica (Belessiotis & Delyannis). Algunos ejemplos de secadores pasivos son los secadores de cabina y tipo invernadero (Figura 6).

Figura 6. Secadores indirectos. a.) secador de cabina b.) secador tipo invernadero.

Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS

2.5.5. Secadores activos Son secadores que usan una fuente de energía externa para mover o calentar el aire. Son secadores más costosos que los secadores pasivos debido a que requieren ser alimentados constantemente por una fuente de energía externa. El secador activo de la Figura 7 ayuda a remover el aire húmedo mediante un ventilador en la parte inferior del secador, después que el aire se ha secado y ha pasado por el producto.

Figura 7. Secador activo de circulación forzada. Fuente: BELESSIOTIS & DELYANNIS

20

2.5.6. Secador solar Hohenheim Es un secador tipo túnel activo mixto, diseñado y construido en Alemania por la universidad de Hohenheim a mediados de los años 80’s (Imagen 2). Este tipo de secador ha sido implementado exitosamente en varias partes del mundo y sobre todo en zonas tropicales donde la radiación promedio anual es alta.

Imagen 2. Secador Hohenheim. Fuente: HOHENHEIM UNIVERSITY

Su funcionamiento consiste en introducir aire externo dentro de la zona de colección mediante tres ventiladores movidos por un panel fotovoltaico (Imagen 3). Mientras el aire pasa por el colector solar, este es calentado por convección debido a la diferencia de temperatura entre el aire y el colector. Cuando el aire entra a la cámara de secado (Imagen 3.B) el aire transfiere calor por convección al producto debido a la diferencia de temperaturas y el agua atrapada en el producto se evapora y se transfiere al aire por convección. Finalmente el aire húmedo es expulsado por el otro costado del secador (O´Donoghue & Fuller).

Imagen 3. Partes secador Hohenheim. A. colector. B. cámara de secado. Fuente: HOHENHEIM UNIVERSITY

21

2.5.7. Secador Hohenheim modificado convección natural El secador construido en Pasca, Cundinamarca está basado en el diseño del secador Hohenheim pero ha sido modificado para trabajar por convección natural al añadirle una chimenea (Imagen 4). El efecto que causa la chimenea es hacer que el aire se eleve y fluya a través de la chimenea debido a la diferencia de densidad generada por el calentamiento del aire.

Imagen 4. Secador Hohenheim modificado. Chimenea. Fuente: UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

La estructura de este secador fue construida en madera debido a la disponibilidad de este material en las zonas rurales y su fácil manufactura y montaje. En la Imagen 5.A se puede observar la cámara de secado, esta presenta ciertas cavidades que son selladas por las bandejas que contienen el producto. Este diseño simplificado de la plataforma de secado permite ahorrar el material utilizado y por lo tanto costos. En la Imagen 5.B se puede observar el sistema de agarre del plástico que hace uso de un tubo de PVC para agarrar, tensar y manipular el plástico de invernadero que cubre la cámara de secado.

Imagen 5. Secador Hohenheim modificado A. cámara de secado. B. sistema de agarre del platico Fuente:

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

22

3. DISEÑO DEL SECADOR

Se diseña el secador Hohenheim de convección forzada basado en el diseño y experiencias obtenidas con el secador Hohenheim modificado de convección natural. Basados en esto se establecen las siguientes condiciones de diseño.

3.1. CONDICIONES DE DISEÑO

3.1.1. Requerimientos: Equivalencia dimensional El secador a construir debe ser dimensionalmente equivalente al secador solar Hohenheim modificado (UNIVERSIDAD DE LOS ANDES). Chimenea Debido a que el secador por convección forzada no requiere una chimenea para inducir flujo al aire, se suprime la chimenea. Sistema de ventilación Debe poseer un sistema de ventilación forzada que tome el aire externo y lo introduzca forzadamente dentro del secador. Estos ventiladores deben funcionar con una fuente de corriente continua, para conectarse directamente a las baterías disponibles. Velocidad de ventilación Los ventiladores deben tener la capacidad para generar un flujo turbulento de aire (Re>4000) dentro del secador para aumentar la transferencia de calor y masa. Esta velocidad no debe superar 1.2m/s debido a que es posible causar el arrastre de partículas de producto. Material estructural Los componentes estructurales deben ser de aluminio, ya que es un material más liviano que la madera, tiene baja corrosión y es, más duradero. Diseño modular Se deben aprovechar óptimamente los recursos usados Costo Usar materiales de bajo costo.

3.1.2. Requerimientos adicionales Teniendo en cuenta la experiencia con el secador Hohenheim modificado construido en el año 2010 se propusieron los siguientes requerimientos adicionales con el fin de refinar el diseño.

23

Sistema de nivelación Debe poseer un sistema de nivelación graduable que permita nivelar la estructura del secador a las condiciones del terreno. Sistema de agarre Debe incluir un sistema de agarre, encargado de sujetar y tensionar el plástico que cubre la cámara de secado. Éste sistema debe permitir que el usuario pueda levantar el plástico fácilmente para manipular el producto. Además de esto debe garantizar que no se afecte el estado del plástico por efecto del contacto con elementos cortantes. Aislamiento térmico El calor debe contenerse dentro del secador con mínimas perdidas en todas las direcciones. Goteo El plástico de invernadero debe tener una inclinación que evite el goteo sobre el producto y que fomente el escurrimiento del agua condensada.

4. Restricciones Tamaño del material Los materiales de construcción no deben superar 3.5m de longitud ni 1.5m de ancho para poder ser transportados fácilmente al lugar de montaje. Accesibilidad de la herramienta Las herramientas usadas para ensamblar el secador deben ser fáciles de conseguir y de manipular. En lo posible usar solo herramientas mecánicas que no requieran una fuente eléctrica. Accesibilidad del material Se debe procurar usar materiales y accesorios comerciales que sean de fácil acceso al campesino.

Personal El montaje se debe poder realizar entre 2 o 3 adultos.

4.1. DISEÑO DE DETALLE

4.1.1. Material estructural Para seleccionar los elementos estructurales, se revisaron los catálogos de perfiles en aluminio de dos compañías distribuidoras en Colombia: Alumina y Vitral. Y se seleccionaron los perfiles en aluminio que reemplazarían los elementos de madera usados en el secador Hohenheim modificado (Imagen 6.)

24

Imagen 6. Perfiles de aluminio seleccionados

Las patas macizas en madera fueron reemplazadas por tubos cuadrados en aluminio. Las costillas del secador Hohenheim modificado que consistían en platinas de acero de 1/8”, se reemplazaron por platinas en aluminio de 3/16” para lograr la misma resistencia. La madera de pino usada como plataforma de secado, fue reemplazada por 4 filas de rieles en aluminio ubicados de forma transversal en el secador. Los bordes superiores que consistían en tramos de madera de 9cm se reemplazaron por ángulos de aletas iguales de 3”.

4.1.2. Patas ajustables Se diseña un sistema de nivelación deslizante generado por la interacción entre dos tubos cuadrados; uno más grande que otro. La distancia de nivelación se establece en 5cm y el sistema de bloqueo consiste en un gancho-tornillo pasante que atraviesa los dos tubos como se o puede observar en la Figura 8.

25

Figura 8. Boceto patas ajustables

4.1.3. Sistema de agarre: Se toma un diseño de sujetador de plástico diseñado y construido por Hydroenvironment. Esta forma de agarre homogeniza la presión que se le ejerce al plástico mediante el contacto entre un riel curvo y un alambre en zig-zag (Imagen 7) previniendo el rasgado del plástico debido a que el plástico no entra en contacto con concentradores de presión.

Imagen 7. Riel curvo y alambre en zig-zag. Fuente: HYDROENVIRONMENT

El montaje de este sistema consiste en colocar el plástico sobre el riel curvo y posteriormente aprisionarlo con el alambre en zig-zag introduciéndolo desde un extremo del riel hasta el otro (Imagen 8).

26

Imagen 8. Forma de ensamble entre agarradera y plástico. Fuente: HYDROENVIRONMENT

4.1.4. Sello térmico:

Para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior por la parte inferior de la cámara de secado se usan láminas de cartonplast traslapadas (Imagen 9. izquierda). El cartonplast o plástico corrugado es una lámina de doble pared hecha de polietileno y polipropileno de alta densidad. Este material tiene un ph neutro, es impermeable y es resistente a la mayoría de agentes químicos, por lo que es óptimo para manejo y almacenamiento de alimentos.

Imagen 9. Materiales para sellado térmico. izquierda.) Cartonplast o plástico corrugado (VINILOS Y

GRAFICOS DIGITALES). derecha.) Superboard (SKINCO COLOMBIT).

En la parte inferior de la zona del colector se utiliza una lámina de superboard (Imagen 9. derecha). Este material es un fibrocemento compuesto por cemento, refuerzos orgánicos y agregados naturales. Esta mezcla de materiales le permite al superboard una alta resistencia a la flexión y a una alta impermeabilidad.

4.1.5. Goteo: El fenómeno de goteo se genera cuando el vapor de agua contenido en el aire alcanza la temperatura de condensación. Esto ocurre mayormente cerca a las superficies de menor temperatura como por ejemplo sobre el plástico del invernadero. Al condensarse el vapor, se forman gotas en la superficie.

27

Cuando la gota se queda en el plástico de invernadero y ésta no desliza o escurre, la radiación proveniente del sol se refleja y reduce su transmisión hacia el interior del secador. A medida que más vapor de agua es condensado la gota se vuelve más pesad, hasta que finalmente cae sobre el producto retardando el proceso de secado (Castilla, N).

Por esta razón la industria recomienda que el plástico invernadero presente una pendiente de ½ o de 27° mínimo con respecto a la horizontal (Figura 9). En el secador solar los elementos estructurales encargados de mantener esta pendiente son las costillas por lo que este ángulo debe estar implícito en ellas (Ver ANEXO 8).

Figura 9. Angulo de inclinación recomendado para invernaderos.

5. MODELO TEÓRICO

Para determinar la velocidad del aire que optimiza la velocidad de secado se optó por desarrollar un modelo teórico del proceso el cual se separa en dos zonas: colector y cámara de secado como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Esquema de transferencia de calor y masa de un secador solar tipo túnel.

Colector

La transferencia de calor en el colector ocurre debido al calentamiento de la placa colectora por la incidencia de la radiación solar. Cuando el aire externo entra al colector se genera un flujo de calor por convección desde la placa colectora hacia el aire. Se supone un flujo de calor efectivo transferido por convección de la placa

colectora al aire de

. Para determinar el estado del aire a la salida del

colector (2) se usa la Ecuación 4 y Ecuación 5.

28

Ecuación 4. Cambio de energía interna del aire dentro del colector.

Donde la temperatura , el calor específico promedio y la densidad a la entrada

del colector , son conocidos debido a que se conoce de mediciones anteriores las condiciones ambientales en la zona de operación del secador (Gómez, E.). Debido a que no existe una transferencia de masa desde o hacia el aire en la zona de secado, se puede suponer que el flujo de masa a la entrada del colector y salida del colector son iguales (Ecuación 6).

Ecuación 5. Conservación de masa del aire dentro del colector.

Donde la velocidad a la entrada es el parámetro variable del modelo. Cámara de secado En la cámara de secado ocurren dos diferentes fenómenos; transferencia de calor y transferencia de masa. Transferencia de calor: Debido a que el secador es mixto existe transferencia de calor hacia el producto de forma directa e indirecta. La forma directa ocurre cuando los rayos solares atraviesan el plástico de invernadero de la cámara de secado e impactan sobre el producto, transfiriéndole energía y calentándolo. Éste efecto sobre el proceso de secado no se tuvo en cuenta en el desarrollo del modelo teórico debido a que no se tenía certeza sobre la cantidad de calor transferido de esta forma. La forma indirecta de transferencia de calor ocurre cuando el aire caliente proveniente del colector entra a la cámara de secado y pierde calor hacia el producto debido a la diferencia de temperatura con el producto. Se supone que la temperatura del producto presenta una variación despreciable a lo largo de la cámara de secado por lo que se aplica el modelo de transferencia de calor para flujo interno con pared isotérmica (ver ANEXO 1), expresado en la Ecuación 6.

(

)

Ecuación 6. Modelo transferencia de calor en flujo interno con pared isotérmica.

Donde: . : Flujo de masa promedio en la cámara de secado.

29

Determinación del coeficiente de convección (

Es bien conocido que cuando existe un fluido turbulento, se obtienen mayores tasas de transferencia de calor y masa, que si este fuera laminar. Esto se debe a que en un flujo laminar el fluido se organiza capas de igual temperatura y concentración que reducen la transferencia de calor y masa, mientras que en el flujo turbulento existe un movimiento desordenado y aleatorio de las partículas que facilita una transferencia de calor y masa mucho más rápida (WELTY). Debido a esto, la velocidad de ventilación óptima debe poder alcanzar el régimen turbulento dentro del secador, es decir que debe presentar un número de Reynolds mayor a 4000. Los números de Reynolds, Prandtl y Nusselt se hallan usando la Ecuación 7, Ecuación 8 y Ecuación 9 respectivamente.

Ecuación 7. Número de Reynolds Ecuación 8. Número de Prandtl Ecuación 9. Número de Nusselt.

El número de Nusselt correspondiente para el flujo interno turbulento en tuberías con temperatura superficial constante está determinado por la Ecuación 10.

Ecuación 10. Numero de Nusselt – Flujo Interno Desarrollado. Fuente: KAYS

Finalmente el calor de convección transferido del aire hacia el producto está dado por la Ecuación 11.

Ecuación 11. Calor de convección transferido del aire hacia el producto.

Transferencia de masa: También existe un flujo de agua debido a la diferencia de concentración de agua en el aire y en el almidón. El flujo de masa ocurre de la zona con mayor concentración de agua (producto) hacia la zona de menor concentración de agua (aire). El flujo de masa de aire húmedo a la salida del secador se puede determinar sumando el flujo de masa del aire húmedo entrante y la tasa de evaporación de agua como se

muestra en la Ecuación 12.

Ecuación 12. Conservación de masa en la cámara de secado

El modelo de transferencia de masa se asemeja al modelo de transferencia de calor para flujo interno desarrollado, resultando en la Ecuación 13.

30

(

)

Ecuación 13. Modelo de transferencia de masa

Donde:

[

]

[

]

Determinación del coeficiente de convección másica: Para determinar el coeficiente de convección es necesario calcular el número de Schmidt (Ecuación 14) y Sherwood (Ecuación 15) para cada velocidad de ventilación.

Ecuación 14. Número de Schmidt Ecuación 15. Número de Sherwood

En la convección másica el número de Sherwood es análogo al número de Nusselt y el Número de Schmidt al número de Prandtl por lo que resulta la Ecuación 16 .

Ecuación 16. Número de Sherwood – Flujo interno desarrollado

La cantidad de masa transferida se puede calcular por medio de la Ecuación 17.

Ecuación 17. Tasa de evaporación de agua

Donde:

4.3 DISEÑO VENTILACIÓN

Para el rango de velocidades de ventilación obtenidas se puede dimensionar el sistema y seleccionar los ventiladores. Primero se requiere calcular la cabeza de presión requerida para operar el sistema, usando la Ecuación 18.

31

Ecuación 18. Cambio de presión.

Donde la cabeza de presión está definida por la Ecuación 19.

∑

Ecuación 19. Cabeza de presión

La cabeza dinámica hace referencia al cambio de velocidad del aire que ocurre

antes y después del ventilador, debido a que la velocidad externa se asume como nula

y la cabeza dinámica se expresa con la Ecuación 20.

Ecuación 20. Cabeza dinámica

La cabeza de perdidas hace referencia a las pérdidas de energía del aire debido a su

interacción con la superficie interna del ducto. La cabeza de pérdidas está dada por la

Ecuación 21.

Ecuación 21. Cabeza de pérdidas por fricción

Donde es el factor de fricción determinado por el diagrama de Moody y el cual

depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la superficie del ducto.

Los coeficientes de pérdidas más relevantes que se tuvieron en cuenta son; el

coeficiente de perdida por contracción súbita del aire al entrar al secador y el

coeficiente de perdida por expansión súbita de este mismo al salir. Este

coeficiente depende de la relación entre los diámetros de los ductos como se puede

observar en la Figura 11.

32

Figura 11. Coeficiente pérdida por expansión y contracción súbita. Fuente: WHITE

Debido a que el diámetro mayor tiende a infinito, la relación d/D tiende a cero, y se

puede determinar mediante la Figura 11 que el coeficiente por contracción súbita

es igual a 0.4 y el coeficiente de expansión súbita igual a 1.

Para calcular el caudal de aire a través del ducto necesario para mantener el rango de

velocidades de ventilación se utiliza la Ecuación 22.

Ecuación 22. Caudal dentro del secador

Y finalmente para calcular la potencia requerida por el sistema para hacer mover el

aire a la velocidad establecida se usa la Ecuación 23.

Ecuación 23. Potencia requerida por los ventiladores

6. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR

La lista de los materiales requeridos para la construcción del secador solar se encuentra en el ANEXO 4. También se encuentran los precios y los almacenes donde se cotizaron los materiales ANEXO 5. El proceso de manufactura para el secador de aluminio se dividió en dos etapas; trabajo en taller y trabajo en campo, debido a que algunos elementos requerían usar herramientas como dobladoras, máquinas de soldar y taladros verticales que no están disponibles en el sitio del montaje. El proceso de manufactura y montaje del secador se puede observar en detalle en el ANEXO 6.

33

El montaje en campo tomó 2 días y se emplearon 3 personas para realizarlo. La precipitación frecuente de la zona obligó a suspender varias veces el trabajo lo que retardó el montaje de la estructura.

Los dos ventiladores fueron conectados en serie a dos baterías de 12VDC cada una, que son alimentadas por 2 paneles fotovoltaicos. El diagrama eléctrico puede observarse en el ANEXO 7. En la Imagen 10 se observa el montaje final del secador de convección forzada.

Imagen 10. Montaje final secador solar túnel de convección forzada. Superior) Vista frontal. Inferior) Vista

posterior.

34

En la Imagen 11 (Izquierda) se observa el sistema de agarre del plástico de invernadero tensado mediante el acople de la banda de caucho al ojo de carrocería de las patas de los burros. Este sistema permite que el plástico pueda levantarse cuando el usuario desee manipular el producto. En la Imagen 11 (Derecha), se observa el lado del sistema de agarre fijado permanentemente mediante remaches a los burros, permitiendo que el plástico quede tensado cuando se cierra.

Imagen 11. Sistema de agarre. Izquierda) Lado removible. Derecha) Lado fijo.

En la Imagen 12 (izquierda) se observan los vidrios y la placa colectora ensamblados y en la Imagen 12 (derecha) se observa en detalle la union entre los vidrios del colector mediante silicona liquida y el sitema de soporte diseñado para que los vidrios no se movieran.

Imagen 12. Izquierda) Colector. Derecha) Soporte de vidrios

El costo dee los materiales de construcción para el secador de convección forzada en aluminio se encuentra alrededor de 1.400.000 COP a precios de Septiembre del 2013, comparado con el secador construido en madera de convección natural que tuvo un costo de 1.600.000 COP a precios de Marzo del 2012 (UNIVERSIDAD DE LOS ANDES). Durante el proceso de manufactura y montaje se identificaron las siguientes fallas.

35

Durante el proceso de doblado de la platina de aluminio mediante una maquina dobladora, se generó la fisura en los ángulos de los costados de la costilla como se puede observar en la Imagen 13.

Imagen 13. Fisura en los costados de la costilla

Al tensar el plástico invernadero se genera una arruga alrededor del caucho de las costillas debido a que el caucho espumoso del travesaño superior no quedó a tope con el caucho de las costillas como se observa en la Imagen 14.

Imagen 14. Arruga del plástico invernadero alrededor de las costillas

El sistema de nivelación no permite ajustes en la altura de las patas del secador menores a 5cm, lo que impide que ante desniveles del terreno menores a esta distancia no se pueda utilizar el sistema para nivelar. Recurriendo a soluciones artesanalaes como el uso de baldoses que se observa en la Imagen 15.

36

Imagen 15. Distancia de ajuste inadecuada para la nivelación del secador

7. CARACTERIZACIÓN SIMULTANEA 7.1. DESCRIPCIÓN

La caracterización simultánea del secador construido de convección forzada (Imagen 10) y del secador existente de convección natural (Imagen 1) se lleva a cabo secando igual cantidad de un producto agrícola al mismo tiempo en ambos secadores. El producto escogido fue almidón de achira debido a que el secador de convección natural se había caracterizado anteriormente con este producto. Para contrastar el rendimiento de ambos secadores se debe medir y adquirir las variables mostradas en la Tabla 1.

Variable Localización Instrumento

Temperatura y humedad

relativa

Secador de convección forzada - Zona A

Termo-higrómetro 1 Rango: -20°C a 70°C / 0% a 95% Resolución: 1°C (1°F) / 1% Precisión: 1°C / 5% Frecuencia de muestreo: 2:30 min Tiempo de adquisición: 4 dias:14 hrs

Secador de convección forzada - Zona B

Termo-higrómetro 2 Rango: -20°C a 70°C / 0% a 95% Resolución: 1°C (1°F) / 1% Precisión: 1°C / 5% Frecuencia de muestreo: 1:30 min

37

Tiempo de adquisición: 4dias:3hrs

Secador de convección natural - Zona A

Termo-higrómetro 3 Rango: -20°C a 70°C / 0% a 95% Resolución: 1°C (1°F) / 1% Precisión: 1°C / 5% Frecuencia de muestreo: 1:30 min Tiempo de adquisición: 4dias:3hrs

Secador de convección natural - Zona B

Termo-higrómetro 4 Rango: -20°C a 70°C / 0% a 95% Resolución: 1°C (1°F) / 1% Precisión: 1°C / 5% Frecuencia de muestreo: 1:30 min Tiempo de adquisición: 4dias:3hrs

Exterior

Termo-higrómetro 5 Rango: -20°C a 70°C / 0% a 95% Resolución: 1°C (1°F) / 1% Precisión: 1°C / 5% Frecuencia de muestreo: 2:30 min Tiempo de adquisición: 4 dias:14 hrs

Radiación Exterior

Piranómetro espectral de precisión Rango: 0-2800 W/m2 Precisión: +- 0.5% Frecuencia de muestreo: 2:30 min Tiempo de adquisición: 4 dias:14 hrs

Velocidad de aire

Secador de convección forzada - Zona A – 5 puntos diferentes (ver Figura 14)

Termo-anemómetro Rango: 0.2 – 5.0 m/s Precisión: +- 0.5% Frecuencia de muestreo: 1 s Tiempo de adquisición: 80 s

Corriente ventiladores

Secador de convección natural - Zona B

Circuito adquisición de voltaje (ver sección 6.3.3) Resolución: 100mA Frecuencia de muestreo: 2:30 min Tiempo de adquisición: 4 dias:14 hrs

Contenido de humedad producto

Bandejas del secador de convección forzada (Zona A y B). Bandejas del secador de convección natural (Zona A y B).

Balanza de humedad XM 120 Rango de temperatura: 30-230°C Rango humedad: 0-100% Resolución: 0.01 % Frecuencia muestreo: Mañana y noche Tiempo de adquisición: 4 días

Tabla 1. Resumen de instrumentos y sistemas de medición

38

7.2. INSTRUMENTACIÓN Para realizar este experimento se requirieron los siguientes instrumentos:

7.2.1. Termo-anemómetro de hilo caliente

Medidor de velocidad y temperatura del aire. Cantidad: 1 Frecuencia de muestreo: 1,2,5,10,30,60,120,300,600,1800,3600 s Peso: 347 gr (0.76 lbs) Dimensiones: 182 x 73 x 47.5 mm

Variable Rango Resolución

Velocidad 0.2 – 5.0 m/s 0.01 m/s 5.1 – 25m/s 0.1 m/s

Temperatura 0 a 50°C (32°F a 122°F) 0.1°C (0.1°F)

7.2.2. Termo-higrómetro con adquisición y registro de datos (HOBO)

Medidor autónomo de temperatura, humedad relativa y luminosidad. Tiene incorporado un sistema de adquisición de datos programable. Modelo: H08-007-02 Data Logger Cantidad: 5 Dimensiones: 2.4 x 1.9 x 0.8 in Peso: 28 gr

Variable Rango Resolución Precisión

Temperatura -20°C a +70°C (-4°F a 167°F)

1°C (1°F) 1°C (1°F)

Humedad Relativa

0% a 95% 1% 5%

39

7.2.3. Piranómetro espectral de precisión

Modelo: EPPLEY (PSP) INSTRUMENT 28101 F3 Peso: 7 Lb Diámetro: 5.75in Altura: 3.75in Precisión: 0.5% (Linealidad) Constante de calibración: 8.67x10^-6 [V/(W/m2)]

Variable Rango Tiempo de respuesta

Radiación 0-2800 w/m2 1 s 0 – 1400 W/m2 30 s

7.2.4. Balanza de humedad XM 120

Cantidad: 1 Rango de muestra: 0.2-124 [gr] Precisión pesaje: 0.001 [gr] Rango de temperatura: 30-230°C Graduación temperatura. 1°C

Variable Rango Resolución

Humedad Rango humedad: 0-100% 0.01 %

7.3. MONTAJE EXPERIMENTAL

Para medir la remoción de humedad ocurrida en el producto durante su proceso secado se toman muestras de almidón de ambos secadores en la zona frontal (A) y en la zona posterior (B) de la cámara de secado (Figura 12). Las muestras se toman al comienzo y al final del día, durante 4 días, para posteriormente medirles el porcentaje de humedad en base húmeda mediante la balanza de humedad XM120. El almidón de achira usado en este experimento ha sido cultivado, recolectado, rayado, tamizado y lavado en la finca de Ignacio Cruz. La cantidad de almidón húmedo obtenido es aproximadamente 60kg el cual se divide en los dos secadores (30kg por secador). El almidón de cada secador se reparte equitativamente en 6 bandejas distribuidas a lo largo de la cámara de secado como se observa en la Imagen 16.

40

Imagen 16. Distribución de las bandejas dentro del secador de convección forzada.

La distribución de los instrumentos es la siguiente: 4 HOBO´s (H08-007-02) se ubican a la entrada y salida de la cámara de secado de ambos secadores. La posición de cada instrumento y los puntos de recolección de las muestras se puede observar en la Figura 12.

Figura 12. Montaje experimental

41

7.3.1. Montaje y configuración HOBO´s Se instalan 4 termo-higrómetros con adquisición y registro de datos (HOBO´s) en la entrada (1) y en la salida (2) de la cámara de secado para medir la temperatura y humedad relativa (RH) del aire interno (Figura 12). También se instala un Un HOBO (H08-007-02) que se encarga de medir la temperatura y humedad relativa exterior, y se encarga de adquirir y almacenar las mediciones de radiación provenientes del piranómetro EPLLEY espectral de precisión. El HOBO (H08-007-02) ubicado en la zona A del secador de convección forzada además se encarga de adquirir la señal de voltaje proveniente de los ventiladores. Estos medidores almacenan los datos medidos durante los 4 días de experimentación a diferentes frecuencias de muestreo debido a que su capacidad de almacenamiento depende de la cantidad de variables medidas. Las frecuencias y tiempos de muestreo para cada HOBO se pueden consultar en la Tabla 1. Estos instrumentos deben colgarse para que queden suspendidos a una altura media dentro del secador y medir las propiedades promedio del aire interno. Además se les coloca una capucha de cartonplast para evitar que la radiación solar directa caliente el HOBO y afecte su medición, como se observa en la Imagen 17.

Imagen 17. Montaje de los HOBO´s internos

7.3.2. Montaje y calibración piranómetro Debido a que el piranómetro no está equipado para almacenar datos se requiere conectarle un HOBO que los almacene. El piranómetro presenta una salida de voltaje entre 0 y 15mV para su rango de operación entre 0 y 2800 como lo muestra la curva de calibración del instrumento en la Gráfica 1.

42

Gráfica 1. Curva de calibración del piranómetro espectral de precisión

Como se observa en la Gráfica 1 el voltaje de salida del piranómetro no es perceptible por la resolución del HOBO (10mV), por lo que es necesario conectar un amplificador de voltaje entre el piranómetro y el HOBO. La curva de amplificación de voltaje obtenida puede observarse en la Gráfica 2.

Gráfica 2. Curva de amplificación de voltaje

El piranómetro, el amplificador y el HOBO se montan sobre el tejado, y usando las patas ajustables del piranómetro se nivela el piranómetro con el nivel incorporado a éste. El montaje de estos elementos se puede observar en la Imagen 18.

43

Imagen 18. Montaje piranómetro

La localización sobre el techo no es la óptima debido a que el tejado refleja parte de la radiación solar sobre el HOBO, haciendo que éste se caliente y tome datos alterados. Sin embargo, se optó por esta localización, debido a que sobre el terreno no existía un lugar que garantizara la continua recepción de radiación solar por la presencia de sombras en diferentes momentos del día.

7.3.3. Operación ventiladores Para hacer trabajar los dos ventiladores de 12V y potencia nominal de 32W, se dispone de un banco baterías de 12V c/u, el cual que es alimentado por paneles fotovoltaicos. (ver ANEXO 7). La corriente que consumen los ventiladores en serie cuando operan en su punto de mejor operación es de 2.66 A y sin carga es de 1.2 A aproximadamente con lo que se puede determinar el tiempo de descarga de las baterías usando la Ecuación

24.

Ecuación 24. Tiempo de descarga de baterías

44

Se obtiene que las baterías pueden suplir corriente a los ventiladores de manera independiente durante 32 horas, por lo que podrían operar sin inconvenientes durante la noche. Además de esto se decide realizar una prueba de funcionamiento a los ventiladores en el taller conectándolos a un osciloscopio y trabajándolos sin carga como se observa en la Imagen 19.

Imagen 19. Montaje de prueba de ventiladores alimentados con osciloscopio

Del montaje con el osciloscopio Imagen 19 se observa que los ventiladores presentan una variación en su operación generando un cabeceo en la velocidad de rotación de las aspas. Éste fenómeno tambien es observable en la corriente y voltaje reportados por el oscilosocpio el cual oscila entre 0.88 y 1.2Amp a 13,1V. Para corroborar que esto no fuera un efecto causado por el osciloscopio se decide conectar los ventiladores a dos baterias en serie de 12VDC simulando el escenario del montaje en campo como se observa en la Imagen 20.

Imagen 20. Montaje de prueba de ventiladores alimentados con baterías

Al realizarse la conexión con las baterías el fenómeno de cabeceo reportado anteriormente, siguió presentándose y mediante un multímetro se corroboró que la corriente que pasaba a través del circuito se encontraba en los mismos valores reportados por el osciloscopio. Además de esto se observa que después de un tiempo de operación los ventiladores dejan de operar repentinamente. Debido a esto se diseña el circuito presentado en la Figura 13 con el fin de determinar los

45

momentos en que los ventiladores dejan de operar y la cantidad de corriente que están consumiendo durante el tiempo de experimentación.

Figura 13. Circuito adquisicion y medición de corriente a través de los ventiladores

El circuito consiste en conectar una resistencia en serie a los ventiladores y adquirir la caída de voltaje a través de esta, al conectar en paralelo a la resistencia la entrada externa del HOBO. Para no exceder el voltaje máximo que puede adquirir el HOBO (2.5V) la resistencia debe ser menor a 0.9Ω, por lo que se opta por conectar una resistencia de 0.1Ω donde el voltaje máximo de 0.266 V. Usando el cociente entre el voltaje y la resistencia se puede conocer la corriente que pasa a través del circuito, y de esta forma observar el funcionamiento de los ventiladores.

7.3.4. Velocidad de aire interno Con el fin de verificar que la velocidad del aire dentro del secador de convección forzada es la velocidad deseada, se usa el anemómetro de hilo caliente para adquirir la velocidad del aire en los puntos que se observan en la Figura 14 a la salida del colector.

Figura 14. Puntos de medición de velocidad de aire. Imagen 21. Medición de velocidad de aire interno.

Debido a que se espera que la operación de los ventiladores sea invariante en el tiempo, solo se adquieren y almacenan las velocidades durante 80 segundos, Cada

46

medición se realiza en diferentes momentos debido a que se cuenta con un solo anemómetro. En la Imagen 21 se observa la forma en que se lleva a cabo la medición de velocidad dentro del secador.

7.3.5. Muestreo

La recolección de muestras de almidón se lleva a cabo por el campesino durante 4 días como se observa en la tabla 1.

Convección Forzada Convección Natural

Hora Mañana Noche Mañana Noche

Puntos A/B A/B A/B A/B Tabla 2. Cronograma y puntos de recolección de muestras

En la mañana las muestras del producto se toman entre las 6:00am y 7:00 am, cuando el campesino empieza su jornada y en la noche se toman entre las 7:00pm y las 8:00pm al finalizar la jornada. Esta frecuencia de muestreo permite observar la cantidad de humedad retirada del producto durante el día y la humectación en las horas de la noche. Una frecuencia más alta de muestreo permitiría observar en más detalle el proceso de secado, pero esto requeriría una mayor dedicación de tiempo por parte del campesino el cual no posee Las muestras son recogidas y almacenadas en tubos de tapa roja marca Vacutainer de 3mL de capacidad. En total se usan 36 tubos de ensayo (18 por secador) debidamente identificados según el secador, la hora del día y el lugar de recolección. Estos tubos que son colocados en un soporte de icopor como se muestra en la Imagen 22.

Imagen 22. Soporte de muestras.

Antes de recolectar las muestras, el producto se revuelve con el fin de tomar una muestra más representativa que contenga las condiciones de humedad de todas las capas de almidón dentro de la bandeja. Los tubos se llenan dejando un pequeño espacio para que el tapón de caucho pueda sellar completamente.

47

8. RESULTADOS Y ANÁLISIS 8.1. RESULTADOS MODELO TEÓRICO

Se usaron los parámetros mostrados en la Tabla 3 para modelar el proceso de secado en ESS.

Parámetro Símbolo Valor

Velocidad ventilación

Presión atmosférica – Pasca, Cundinamarca Gómez, E. (2012)

Temperatura ambiente

Humedad relativa ambiente

Aceleración gravitacional

Calor transferido al aire en el colector 300 W

Ancho colector/cámara secado

Longitud colector

Longitud cámara secado

Área transversal

Perímetro transversal

Rugosidad equivalente colector – Acero fundido asfaltado

0.12 mm

Rugosidad equivalente cámara secado - Acero fundido asfaltado

0.12 mm

Tabla 3. Parámetros establecidos en modelo teórico

8.1.1. Variables del proceso de secado El modelo de teórico del proceso de secado proporciona las bases para comprender la relación existente entre las propiedades del aire y las variables de secado a diferentes velocidades de ventilación. Una de las principales variables que afectan el proceso de secado es la temperatura del aire la cual varía como se puede observar en la Gráfica 3.

48

Gráfica 3. Temperatura del aire externo e interno Vs. Velocidad de ventilación.

En la Gráfica 3 se encuentra graficado la temperatura del aire al exterior del secador ( ), a la salida del colector ( ) y a la salida de la cámara de secado ( ). La temperatura exterior se mantiene constante debido a que es una variable ambiental que no depende de la operación del secador, mientras que la temperatura del aire interno y disminuyen a medida que la velocidad de ventilación aumenta y se aproximan cada vez más a la temperatura del aire externo . Este descenso en la temperatura del aire interno al aumentar la velocidad de ventilación, se debe a la reducción de la transferencia de calor de la placa colectora hacia el aire, por el poco tiempo que tarda éste en recorrer la zona del colector. También se observa que la temperatura a la salida de la cámara de secado , es ligeramente menor a la temperatura del aire a la salida del colector . Esto se debe a la transferencia de calor del aire hacia el producto, que ocurre a lo largo de la cámara de secado. La humedad relativa del aire es dependiente de la temperatura por lo que también se ve afectada por la velocidad de ventilación como se observa en la Gráfica 4.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0

20

40

60

80

100

Velocidad de ventilación u1 [m/s]

Te

mp

era

tura

[°C

]

T2T2

T3T3

TExt

49

Gráfica 4. Humedad relativa del aire externo e interno Vs. Velocidad de ventilación

La Gráfica 4 muestra la humedad relativa del aire externo del aire interno a la salida del colector y a la salida de la cámara de secado . Contrario a lo ocurrido con la temperatura del aire interno, la humedad relativa aumenta acercandose a la humedad relativa exterior a medida que la velocidad de ventilación aumenta. Éste aumento en la humedad relativa, se debe a la reducción de la temperatura del aire observada en la Gráfica 3. Cuando la temperatura del aire humedo disminuye, la presión de vapor de saturación tambien lo hace, y a una presión de vapor constante, la humedad relativa del aire aumenta sistematicamente. Tambien se observa que la humedad relativa en la salida del colector es ligeramente menor a la humedad relativa en la salida de la cámara de secado . La principal causa de esto es la diferencia de temperaturas entre las dos zonas, presentando una mayor humedad relativa la zona de menor temperatura. Otra causa secundaria es la transferencia de vapor de agua que ocurre desde el producto hacia el aire a lo largo de la cámara de secado,lo que aumenta el contenido de humedad en el aire y por ende la humedad relativa. En la Gráfica 5 se observa el coeficiente de convección másica y número de Reynolds para cada velocidad de ventilación. Este coeficiente de convección másica es proporcional al número de reynolds que aumenta a medida que aumentra la velocidad de ventilación. El aumento de éste coeficiente indica que hay una mayor cantidad de particulas entrando al secador por unidad de tiempo, aumentando la transferencia de masa por unidad de tiempo.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0

10

20

30

40

50

60

70

Velocidad de ventilación u1 [m/s]

Hu

me

da

d R

ela

tiv

a %

RHExtRHExt

RH2RH2

RH3RH3

50

Gráfica 5. Coeficiente de convección másica y número de Reynolds Vs. Velocidad de ventilación

Gráfica 6. Transferencia calor y masa Vs. Velocidad de ventilación

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

x 10-3

0

1

2

3

4

0

5000

10000

15000

20000

25000

Velocidad de ventilación u1 [m/s]

Co

efi

cie

nte

de

co

nv

ec

cio

n m

ás

ica

[m

/s]

hmasshmass

ReRe

Nu

me

ro d

e R

ey

no

lds

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,260

70

80

90

100

110

120

130

140

150

x 10-2

10

12

14

16

18

20

22

24

Velocidad ventilación u1 [m/s]

Ca

lor

Q [

W]

QconvQconv

JtransJtrans

Tra

ns

fere

nc

ia d

e m

as

a J

[k

g/h

r]

QtransQtrans

51

En la Gráfica 6 se observa la cantidad de calor transferido por convección del aire hacia el producto y el flujo de masa por convección que ocurre desde el producto hacia el aire , para cada una de las velocidades de ventilación. Sin embargo, para que pueda existir el flujo de masa es necesario que también se haya transferido suficiente calor al producto para evaporar la masa de agua. El calor requerido se determina mediante el calor latente de evaporación y también se puede observar en la Gráfica 6. Se obtiene entonces que el calor necesario para generar la transferencia de masa es mayor, para todas las velocidades de ventilación , al calor aportado por el aire para la evaporación del producto . Esto significa que la transferencia de masa desde el producto hacia el aire está limitada por lo que el flujo másico de vapor de agua de la Gráfica 6 es menor y debe ajustarse. El ajuste del flujo másico se lleva a cabo limitando la transferencia de masa a un valor que pueda evaporarse con el calor de convección disponible . La transferencia de masa limitada se muestra Gráfica 7.

Gráfica 7. Transferencia de calor y masa limitado Vs. Velocidad de ventilación.

En la Gráfica 7 se puede observar que al ajustar el flujo másico a un flujo másico limitado , el calor requerido se reduce e iguala al calor transferido del aire hacia el producto .

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

x 10-2

10

12

14

16

18

20

22

24

Velocidad de ventilación u1 [m/s]

Ca

lor

Q [

W]

QconvQconv

Tra

ns

fere

nc

ia d

e m

as

a J

[k

g/h

r]

Qtrans

J

52

También se puede apreciar que el flujo másico y el calor transferido presentan un punto de inflexión mínimo cuando la velocidad de ventilación es aproximadamente 0.2m/s. A esta velocidad el flujo de humedad del producto hacia el aire es aproximadamente 13E-2 kg/hr y la transferencia de calor desde el aire hacia el producto igual a 85W. La existencia de un punto de inflexión mínimo en la transferencia de masa se puede deber a la interacción de dos regímenes que dominan sobre la transferencia de calor y masa dependiendo de la velocidad de ventilación. El primer régimen ocurre a velocidades de ventilación menores de 0.2m/s, a estas velocidades se obtiene una temperatura interna elevada y una humedad relativa baja del aire como se observó en la Gráfica 3 y Gráfica 4 respectivamente. La temperatura del aire elevada promueve una mayor transferencia de calor hacia el producto en la cámara de secado y la humedad relativa baja del aire fomenta la transferencia de masa desde el producto hacia el aire. Debido a estos fenómenos se obtiene una transferencia de masa elevada en esta zona. Sin embargo a medida que la velocidad de ventilación aumenta la temperatura del aire interno disminuye y la humedad relativa aumenta, haciendo que disminuya la transferencia de masa hasta alcanzar el punto de inflexión mínimo. Sin embargo, después de alcanzar el punto mínimo de inflexión en 0.2m/s, empieza el segundo régimen. A velocidades mayores a 0.2m/s a pesar de tener diferencia de temperatura y concentración menores, se obtiene una mayor cantidad de partículas por unidad de tiempo entrando y saliendo del secador lo que promueve un aumento en la tasa transferencia de calor hacia el producto y en la tasa de remoción de humedad. Para verificar si el flujo de masa obtenido en el modelo teórico para cada velocidad de ventilación es coherente con el proceso de secado real, se modela el tiempo de secado son las siguientes suposiciones:

Parámetro Valor

Masa de producto húmedo inicial 30kg

Contenido de humedad en base húmeda inicial 45%

Contenido de humedad en base húmeda final 20%

Tiempo de secado/día 12Hrs

Tabla 4. Valores de parámetros para determinar el tiempo de secado

Se obtiene que para llevar a cabo el proceso de secado de 30kg de producto con un contenido de humedad inicial de 45% hasta un contenido de humedad de 20% en base húmeda se requieren tiempos de secado diferentes para cada velocidad de ventilación especificados en la Gráfica 8.

53

Gráfica 8. Tiempo de secado Vs. Velocidad de ventilación

En la Gráfica 8 se observa que para velocidades de ventilación menores a 0.2m/s el tiempo de secado oscila entre 3 y 4 días. Esto es coherente con el tiempo de secado obtenido en experiencias pasadas al secar almidón de achira en el secador de convección natural (Gomez, E.). Esto quiere decir que para lograr tasas de secado más efectivas que el secador de convección natural es necesario operar el secador a velocidades mayores de 0.7m/s donde se observa que el tiempo de secado se reduce considerablemente. 8.1.2. Dimensionamiento ventilación Para seleccionar el sistema de ventilación se requiere calcular los parámetros de caudal, cabeza de pérdidas y potencia, para el rango de velocidades de ventilación en el que se desea que el secador de convección forzada trabaje (0.7m/s – 1.2m/s). En la Gráfica 9, se muestra el caudal Q y la cabeza de presión total de aire requerida por el sistema para mantener el flujo de aire a diferentes velocidades de ventilación. Debido a que se desea que el secador trabaje en un rango de operación entre 0.7 y 1.2m/s el caudal del sistema debe oscilar entre 700 y 1000

de aire y vencer una cabeza de presión entre 8 y 21cm de aire (0.7 a 2 Pa).

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

2,5

3

3,5

4

Velocidad de ventilación u1 [m/s]

Tie

mp

o s

ec

ad

o [

Dia

s]

54

Gráfica 9. Condiciones de operación del sistema de ventilación para diferentes velocidades.

Gráfica 10. Potencia requerida por el sistema y tasa de evaporación de agua.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Velocidad Ventilación u1 [m/s]

Ca

ud

al

Q [

m3

/ /h

r]

Q

htothtot

Ca

be

za

de

pre

sio

n d

e a

ire

H [

m]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,20

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

x 10-2

10

12

14

16

18

20

Velocidad Ventilación u1 [m/s]

Pote

ncia

Requerida [W

]

PotreqPotreq

JJT

ransfe

rencia

Masa [kg/h

r]

55

La Gráfica 10 muestra el flujo de agua evaporada J en relación con la potencia requerida para operar los ventiladores. Se observa que la potencia requerida

por el sistema de ventilación aumenta proporcional al cuadrado de la velocidad de ventilación debido a las pérdidas del sistema. También se observa que existen varios puntos de operación del sistema donde la transferencia de masa es similar pero la potencia requerida es diferente. Por ejemplo, si se quiere obtener una tasa de transferencia de masa de 16kg/hr se puede operar el sistema a velocidad de ventilación de 0.7m/s y consumiendo una potencia de 0.12W o se puede operar el sistema a una velocidad de operación de 0.04m/s donde la potencia requerida es nula y se obtiene la misma tasa transferencia de masa. En otras palabras, si se requiere hacer uso óptimo de la energía disponible se debe operar el secador a velocidades de ventilación menores a 0.2m/s que no requieren el uso de una fuente de energía externa. 8.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES

El experimento fue llevado a cabo desde las 06:00 del 19 de Noviembre hasta las 06:00 del 22 de Noviembre del 2013. Cabe anotar que a partir de las 18:30 del 20 de Noviembre los datos adquiridos con el HOBO exterior presentaron una perturbación que afectó los valores posteriores de temperatura exterior, humedad relativa exterior y radiación, presentando variaciones anormales en la magnitud de las variables. Los resultados obtenidos fueron los siguientes.

8.2.1. Temperatura

En la Gráfica 11 se observa que durante el día la temperatura a la salida del colector y a la salida de la cámara de secado es mayor a la temperatura exterior, y en las horas de la noche las temperaturas internas se aproximan a la temperatura exterior. La perturbación observada, afecta la medición de la temperatura externa entre las 06:00 y las 18:00 del 21 de Noviembre, por lo que la temperatura exterior en este rango no es tenida en cuenta para el análisis. La diferencia de la temperatura del aire interno con respecto al externo en las horas del día, es causada por la transferencia de calor que ocurre desde la placa colectora hacia el aire y por la radiación directa de los rayos solares a través del plástico invernadero. En la noche, debido a la ausencia de radiación solar, no existe transferencia de calor hacia el aire interno por lo que su temperatura no cambia con respecto a la temperatura externa.

56

Gráfica 11. Temperatura externa e interna en el secador de convección forzada

Gráfica 12. Temperatura externa e interna del secador de convección natural.

57

En la Gráfica 12 se observa que al igual que las temperaturas medidas en el secador de convección forzada (Gráfica 11) la temperatura del aire interno es mayor a la temperatura exterior en las horas del día.

También se calcula el promedio y desviación estándar de cada temperatura medida, éste se calcula en las horas del día entre las 06:00 y las 18:00 a lo largo de los 4 días de experimentación. Sin embargo, el promedio de temperatura externa se calcula excluyendo el rango de 06:00 y las 18:00 del 21 de Noviembre, por las razones anteriormente mencionadas. Los resultados obtenidos se encuentran registrados en la Tabla 5.

Localización Convección forzada Convección natural σ σ

Aire externo 25,17 8,1 25,17 8,1

Salida colector 28,48 11,8 28,15 10,4

Salida cámara secado 25,11 9.14 27,93 11,31 Tabla 5. Promedio temperatura externa e interna de ambos secadores

En la Tabla 5, se observa que a la salida del colector, ambos secadores presentan una temperatura promedio muy similar alrededor de los 28°C. Esto difiere con respecto a lo obtenido en la Gráfica 3 del modelo teórico, donde se indica que a mayor velocidad de ventilación la temperatura del aire interno debe ser menor. Una de las posibles causas de esto es el desigual estado entre los componentes del colector de ambos secadores, por ejemplo se observó que los vidrios del secador de convección natural se encontraban rotos y sucios, lo que pudo generar la reflexión de parte de la radiación solar que caía sobre la placa colectora además de la posible perdida de aire caliente a través de los orificios presentes en el colector. Por otro lado el colector del secador de conveccion forzada, se encontraba en optimas condiciones debido a su corto tiempo de uso, permitiendo el paso de la radiación solar a traves de los vidrios y generando una mayor transferencia de calor debido a la mayor emperatura de la placa colectora. Tambien se observa en la Tabla 5, que a la salida de la cámara de secado, la temperatura del aire en el secador de convección forzada presenta una mayor reducción. Esto puede ocurrir debido a la perdida de calor hacia el exterior ocurrida a lo largo de la cámara de secado generado por el incremento en el coeficiente de convección térmica. Éste efecto no es posible observarse en los resultados del modelo teórico (Gráfica 3), porque las pérdidas de calor con el entorno no se tuvieron en cuenta. Otra posible causa de esta diferenciación, es la cercanía que presenta el HOBO ubicado en la salida de la cámara de secado con el aire externo. Esto pudo ocasionar una transferencia de calor por convección desde el aire caliente que estaba siendo expulsado hacia el aire frio del ambiente, reduciendo la temperatura del aire a la salida del secador. En el caso del secador de convección natural, el HOBO a la salida de la cámara de secado, se encuentra

58

separado del aire ambiental por la presencia de la chimenea lo que pudo prevenir la transferencia de calor ocurrida en el secador de convección forzada.

Gráfica 13. Temperatura externa e interna del secador de convección forzada 19/11/2013

Gráfica 14. Temperatura externa e interna del secador de convección natural 19/11/2013

59

En la Gráfica 13 y Gráfica 14 se observan las temperaturas externas e internas en detalle de ambos secadores. Se alcanza a percibir que el comportamiento que tiene la temperatura al interior de ambos secadores con respecto al tiempo, se ajusta al comportamiento de la temperatura del aire externo. Al comparar estas dos graficas también se puede observar la mayor diferenciación entre las temperaturas internas del secador de convección forzada, analizado anteriormente. 8.2.2. Humedad relativa En la Gráfica 15 y Gráfica 16 se muestra la humedad relativa del aire externo, del aire a la salida del colector y a la salida de la cámara de secado para ambos secadores.

Gráfica 15. Humedad relativa del aire en el secador de convección forzada

Para el caso de la humedad externa, se observa que la perturbación ocurrida el segundo día de medición (20 de Noviembre) a las 18:00 se prolonga hasta finalizar el experimento, afectando los valores medidos del 21 y 22 de Noviembre. Por esta razón para el análisis y el promedio de la humedad relativa exterior solo se va a tener en cuenta los dos primeros días de medición desde el 19 de Noviembre hasta el 20 de Noviembre a las 18:00 horas.

60

Gráfica 16. Humedad relativa del aire en el secador de convección natural.

También se calcula el promedio y desviación estándar de la humedad relativa del aire, éste se calcula en las horas del día entre las 06:00 y las 18:00 a lo largo de los 4 días de experimentación para las mediciones del aire interno. Los resultados obtenidos se encuentran registrados en la Tabla 6.

Localización Convección forzada Convección natural

σ σ

Aire externo 77,20 23,10 77,20 23,10

Salida colector 52,39 28,02 53,00 27,77

Salida cámara secado 59,76 27,30 50,55 24,04 Tabla 6. Promedio humedad relativa externa e interna de ambos secadores

De la Tabla 6 se obtiene que la humedad relativa a la salida del colector es similar para ambos secadores y se aproxima al 53% de humedad. Este resultado no se esperaba debido a que en el modelo teórico la humedad relativa del aire en el secador de convección forzada debía ser mayor a la del secador de convección natural. Sin embargo, si experimentalmente las temperaturas en la salida de los colectores de ambos secadores son similares (Tabla 5) y la cantidad de humedad en el aire se mantiene constante, la humedad relativa del aire debería ser igual para ambos secadores, lo que efectivamente ocurrió. Otra inconsistencia encontrada entre los valores experimentales de humedad relativa del aire interno y los valores el modelo teórico de la Gráfica 4, es la magnitud de las variables. La humedad relativa teórica a la máxima velocidad de ventilación establecida es de alrededor 50%, mientras que experimentalmente se

61

obtiene un promedio máximo de 66,57%. Esta inconsistencia se debe principalmente a la diferencia que existe entre el valor de humedad relativa del aire externo medido y al parámetro teórico establecido en la Tabla 3.

Gráfica 17. Humedad relativa del aire en el secador de convección forzada. 19 y 20 Noviembre/13

Gráfica 18. Humedad relativa del en el secador de convección natural. 19 y 20 Noviembre/13

62

En la Gráfica 15 y Gráfica 17, se observa que en el secador de convección forzada tanto la humedad relativa del aire exterior como la humedad de las temperaturas internas alcanzan el punto de saturación en las horas de la noche, mientras que en las horas del día la humedad relativa decae. También se observa que la variación ocurrida en el aire interno a lo largo del día, tiene un alto grado de dependencia al comportamiento de la humedad relativa exterior. En la Gráfica 16 y Gráfica 18, se observa que en el secador de convección natural la humedad relativa en la salida de la cámara de secado no alcanza el punto de saturación en las horas de la noche. Como sí ocurre en el secador de convección forzada. Se esperaba que la humedad relativa promedio aumentara entre la salida del colector y la salida de la cámara de secado según la Gráfica 4 del modelo teórico. Sin embargo, la humedad relativa promedio en el secador de convección natural presenta una disminución entre estas dos zonas. Como se da a conocer en la Tabla 5, la temperatura promedio entre las zonas del secador no varía significativamente, por lo que se descarta que un aumento en la temperatura haya generado el incremento en la presión de vapor saturado y por consiguiente en la humedad relativa. Si se observa en detalle el comportamiento de la humedad relativa interna con respecto al tiempo (Gráfica 16 y Gráfica 18), se puede observar que en las horas de la mañana la humedad relativa del aire a la salida de la cámara de secado es mayor a la humedad a la salida del colector, acorde al modelo teórico. Mientras que en las horas de la tarde ocurre lo contrario. Debido a que no se encontró ninguna explicación teórica a lo ocurrido, se plantea la posibilidad de que el termo-higrómetro instalado en la salida de la cámara de secado del secador de convección natural no tuviera calibrado el transductor de humedad incorporado, afectando los valores de humedad relativa medidos por éste. 8.2.3. Radiación En la Gráfica 19 y Gráfica 20 se muestra la radiación solar junto con las temperaturas internas de ambos secadores durante los 4 días de experimentación.

63

Gráfica 19. Radiación solar y temperatura interna en el secador de convección forzada

Gráfica 20. Radiación solar y temperatura interna en el secador de convección natural

Como se puede apreciar en la Gráfica 19 y Gráfica 20, existe una perturbación en la señal de radiación solar medida por el piranómetro que empieza el segundo día de medición (20 de Noviembre) a las 18:00 y se prolonga hasta finalizar el experimento, afectando los valores medidos del 21 y 22 de Noviembre. Por esta razón solo se va a tener en cuenta los dos primeros días de medición desde el 19 de Noviembre hasta el 20 de Noviembre a las 18:00 horas, como se observa en las Gráfica 21 y Gráfica 22.

64

Gráfica 21. Radiación solar y temperatura interna del secador solar de convección forzada. 19 y 20 de

Noviembre.

Gráfica 22. Radiación solar y temperatura interna del secador solar de convección forzada. 19 y 20 de

Noviembre.

65

En la Gráfica 21 y Gráfica 22, se observa que existe una relación muy estrecha entre la radiación solar y la temperatura interna de los secadores. En los momentos donde la radiación solar alcanza un pico máximo la temperatura interna también lo hace. Sin embargo, es el aire externo el que absorbe la radiación solar antes de entrar al secador solar y aumenta o disminuye su temperatura (energía interna) dependiendo de la radiación solar disponible. Por esta razón la temperatura del aire externo es el principal agente que genera los cambios en el comportamiento de la temperatura del aire al interior del secador. También se observa que la radiación máxima alcanzada durante el día fue de 1350 y que en las horas de la noche la radiación oscilaba entre 100 y -100 alrededor de cero. Esta oscilación puede deberse a un mal funcionamiento en el amplificador de voltaje o en la variación de la corriente eléctrica que alimenta al piranómetro, haciendo que cuando existía una radiación nula el termo-higrómetro adquiría una señal de voltaje alterada. 8.2.4. Operación de ventiladores Los resultados obtenidos del circuito diseñado anteriormente para determinar la operación de los ventiladores se muestran en la Gráfica 23, junto con las temperaturas internas del secador de convección forzada.

Gráfica 23. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna en el secador de convección

forzada

En la Gráfica 23 se observa que la corriente a través de los ventiladores oscila entre 0.8 y 2.5Amp en las horas del día. En las horas de la noche, aproximadamente entre las 20:00 y 22:00 hasta las 6:00 del siguiente día, la

66

corriente a través de los ventiladores es nula, lo que indica que dejaron de operar durante este periodo. La suspensión de la operación en los ventiladores en las horas de la noche no es normal debido a que como se había establecido anteriormente, las baterías tienen un tiempo de descarga de 32 horas suponiendo una corriente de descarga continua de 2,66 Amp. Por lo que las baterías deberían ser capaces de suplir suficiente energía a los ventiladores para trabajar durante la noche con una radiación solar nula. Sin embargo, la suspensión en la operación de los ventiladores durante la noche ayuda al proceso de secado, ya que se reduce el flujo de aire en estado saturado al interior del secador y en consecuencia se reduce la rehumectación del producto. 8.2.5. Velocidad de viento En la Gráfica 24 se muestran las velocidades del aire interno en diferentes puntos del área transversal del secador solar de convección forzada establecidos en la Figura 14.

Gráfica 24. Velocidad de aire al interior del secador de convección forzada

En la Gráfica 24 se puede observar que la velocidad del viento en todos los sitios medidos se encuentra oscilando. Este fenómeno se presenta debido al cabeceo notado en la operación de los ventiladores y corroborado en la Gráfica 23 mediante la medición de la corriente. Esta variación en la potencia impresa al aire genera una variación en el caudal y en consecuencia la fluctuación en la velocidad del aire interno.

67

Sitio Velocidad promedio σ

C 0,46 0,07

D 0,33 0,08

E 0,56 0,05

F 0,96 0,08 Tabla 7. Promedio de velocidad del aire interno en el secador de convección forzada

En la Tabla 7, se muestra las velocidades promedio y su desviación estándar en cada sitio medido dentro del secador de convección forzada. Se observa que las menores velocidades se generan en los sitios C y D ubicados hacia al centro del secador. Mientras que las mayores velocidades de aire se miden en los sitios E y F ubicados cerca al costado derecho del secador. Debido a que las velocidades fueron medidas en momentos diferentes, el valor de cada una y la relación con respecto a los otros puntos puede ser diferente en un mismo momento. Si el flujo de aire al interior del secador fuera desarrollado, las velocidades del aire en el centro del ducto (sitios C y D) deberían ser mayores que las velocidades de aire cercanas a las superficies (sitios E y F). Debido a que esto no ocurre experimentalmente, se puede inferir que el flujo de aire en esta zona del secador todavía no está desarrollado. Una de las causas es el recorrido insuficiente que tiene el aire impreso por los ventiladores para desarrollarse entre el sitio de ventilación y el colector. Para promover el desarrollo del fluido, se recomienda acoplar un uniformizador de flujo entre el sitio de ventilación y el colector, con el fin de permitir que el aire se desarrolle antes de entrar al colector.

8.2.6. Contenido de humedad En la Gráfica 25 y Gráfica 26, se muestra el contenido de humedad en base húmeda del almidón de achira durante los 4 días de experimentación. La muestra de almidón de achira de la noche del 22 de Noviembre en la zona B del secador de convección natural no fue tomada, debido a que la persona encargada de recogerla olvidó hacerlo, por lo que en la Gráfica 26 éste valor no se encuentra registrado. En la Gráfica 25 y Gráfica 26 se observa que el porcentaje de humedad inicial del almidón es de alrededor de 45% en base húmeda. Esto garantiza que el producto que se utiliza en ambos secadores se encuentra en el mismo estado. En la Gráfica 25 se observa que el producto ubicado en la zona B presenta una rehumectación nula, mientras que el producto en la zona A se rehumecta durante las noches 2 y 3. Sin embargo, al final del proceso de secado en la noche del día 4 el contenido de humedad del producto ubicado en ambas zonas converge a 23% de humedad, debido a que en algunos días la tasa de secado del producto de la

68

zona A es mayar, como se puede observar posteriormente en las curvas de velocidad de secado.

Gráfica 25. Curva de secado del almidón de achira en el secador a convección forzada

Gráfica 26. Curva de secado del almidón de achira en el secador a convección natural

En la Gráfica 26, se observa que el almidón localizado en la zona B del secador de convección natural sólo presentó una rehumectación en la noche del día 3, mientras que en la zona A el almidón presenta rehumectación durante las noches 2 y 3. La humedad final alcanzada por el almidón ubicado en la zona A es de 23% y

69

no se conoce si ambas zonas convergen al mismo valor ya que no se posee el último valor del almidón ubicado en la zona B. Al final del proceso de secado (día cuarto) el almidón en ambos secadores presenta un porcentaje de humedad alrededor de 23%. Esto indica que el resultado global del proceso de secado es similar tanto para el secador que trabaja de convección natural como para el que trabaja por convección forzada, entre el rango de velocidades de ventilación medidas anteriormente.

9. ANÁLISIS ECONÓMICO Se realiza un análisis beneficio-costo entre los dos secadores para determinar cuál de los dos es más rentable. Debido a que el tiempo de secado es igual en ambos secadores, el análisis de la inversión se realiza principalmente sobre los costos. Se tienen en cuenta los parámetros establecidos en la Tabla 8 para evaluar los secadores económicamente.

Parámetro Valor Unidad

Tasa de préstamo bancario E.A 12%

Inflación 3%

Ciclo de vida del secador 10 Años

Costo electricidad Estrato 4 - Bogotá, Colombia (2013)

355,6 COP/kWh

Tiempo uso ventiladores 20 Semanas/Año

Potencia ventiladores 128 W Tabla 8. Parámetros para la evaluación económica de los secadores

Se supone un préstamo bancario a 2 años con un interés del 12% E.A amortizado en 2 periodos, para pagar el valor de la inversión inicial. La inversión, los costos asociados a la operación de cada secador y el valor presente neto calculado para 10 años y a una tasa de interés igual a la inflación del 3% se encuentran establecidos en la Tabla 9.

SECADOR CONVECCIÓN NATURAL

SECADOR CONVECCIÓN FORZADA

COP COP

Inversión inicial $ 1.600.000 $ 1.400.000 Costo operación ventilación/Año

$ 0 $ 152.936

Amortización deuda 2 primeros años

$ 946.717 $ 828.377

Valor presente neto -$ 1.716.921 -$ 2.695.048 Tabla 9. Costos asociados a cada secador

70

De la Tabla 9 se obtiene que el secador de convección natural tiene un valor presente neto de -1.716.921COP mayor al del secador de convección forzada de -2.695.048COP. Por lo que la inversión en el secador de convección natural es más rentable desde el punto de vista económico.

10. CONCLUSIONES Se concluye que en el proceso de secado de almidón de achira, el secador de

convección forzada presenta la misma tasa de secado que el secador de convección natural. Cuando los ventiladores operan en un rango de velocidades de 0.6 a 1m/s, con un flujo interno de aire no desarrollado y bajo las condiciones ambientales de la zona de operación. Sin embargo, es posible que al promover el desarrollo del flujo al interior y al aumentar la velocidad de ventilación, la tasa de secado del secador de convección forzada aumente y sea mayor que la del secador de convección natural.

El modelo teórico desarrollado es la base para entender los resultados obtenidos del proceso de secado en ambos secadores, y abre la expectativa de ser corroborado con los resultados experimentales a velocidades de ventilación que no se lograron en éste proyecto. Sin embargo, el modelo teórico planteado, no tiene en cuenta factores importantes que pueden afectar los resultados, como las pérdidas de calor con el ambiente y la transferencia de calor hacia el producto debido al impacto directo de la radiación solar sobre éste.

Experimentalmente se encontró que existen diferencias entre ambos secadores con respecto a la temperatura y humedad relativa del aire en la salida de la cámara de secado. Sin embargo, estas diferencias en las propiedades del aire no generaron un cambio significativo en la tasa de secado global del almidón de achira en ninguno de los dos secadores. Esto se debe a que las mediciones realizadas al aire no tienen en cuenta el flujo másico que está saliendo de cada secador el cuál es significativamente mayor para el secador de convección forzada, de ésta forma el aire puede remover igual cantidad de humedad, teniendo diferentes propiedades.

El secador de convección natural es más financieramente rentable que el secador de convección forzada, principalmente por que logra el mismo beneficio en términos de tiempo de secado y no requiere una fuente de energía externa para su operación como si lo requiere el secador de convección forzada. Sin embargo, el costo del secador de convección natural con estructura de madera es menor al costo del secador de convección forzada con estructura de aluminio (incluyendo los ventiladores de mayor potencia) en un 12.5%.

71

Aunque, el secador de aluminio requiere mayor tiempo de manufactura, debido a que se requieren usar herramientas menos accesibles y de difícil manipulación,

En la caracterización simultánea de los secadores hubieron varios aspectos que pudieron afectar considerablemente el rendimiento del proceso de secado de cada secador y por ende la equivalencia que debía existir entre ellos para reproducir las mismas condiciones ambientales. Los aspectos identificados fueron:

o La orientación de los secadores era distinta, por lo que durante el día la

estructura del secador obstruye los rayos solares que inciden sobre la placa colectora de forma única para cada orientación.

o El estado del colector y el plástico invernadero del secador de convección natural estaba desgastado debido al uso y al tiempo, disminuyendo la radiación solar que incide sobre la placa colectora y el producto.

o En la entrada del aire del secador de convección forzada había plantado un arbusto el cual pudo haber afectado la temperatura y la humedad relativa del aire que ingresaba al secador debido a la sombra que proyectaba.

11. RECOMENDACIONES

Diseño

1) Diseñar y acoplar entre los ventiladores y la placa colectora del secador de convección forzada, un uniformizador de flujo (difusor) capaz de desarrollar el aire interno propulsado por los ventiladores. Esto aumentaría el área de contacto entre el aire entrante y la placa colectora, aumentando la transferencia de calor hacia el aire. Y en la cámara de secado, un flujo desarrollado produciría una tasa de secado del producto más homogénea. El acople de este elemento al secador aumentaría la potencia requerida por los ventiladores para operar, sin embargo no se vería afectado el caudal drásticamente debido a que los ventiladores están sobredimensionados.

2) Caracterizar los dos ventiladores acoplados al secador de convección forzada determinando su consumo energético, cabeza de presión y caudal. Con el fin de poder determinar la estado de ventilación dentro del secador y estudiar la fluctuación que presentan cuando se encuentran operando.

72

3) Estudiar el sistema de control acoplado a los ventiladores para dirigir y estudiar el proceso de secado variando los parámetros de operación de los ventiladores.

Manufactura

1) Adecuar las patas ajustables para que se puedan nivelar cada 2cm en lugar

de 5cm. Esto ayudaría a que el secador se pueda acoplar mejor al terreno que la mayoría de las veces presenta desniveles menores a 5cm. Al cambiar la distancia entre los agujeros del sistema de ajuste de altura, se aumentaría la concentración de esfuerzos lo que aumentaría el riesgo de falla en la estructura.

2) Diseñar un método de unión diferente entre las costillas y los burros que no implique doblar la platina de las costillas, ya que al hacerlo estas presentan una fisura en los dobleces de los costados, afectando sus propiedades mecánicas.

3) Reemplazar los 4 vidrios del colector por un elemento continuo, menos

frágil y más liviano, ya que pueden generarse fugas entre las uniones de los vidrios al deteriorarse la silicona. Este cambio en la estructura del colector podría producir una reducción en la cantidad de radiación que incide sobre la placa colectora, pero por otra parte facilitaría el montaje y aumentaría la durabilidad del secador.

4) Usar un caucho de mayor grosor en el travesaño superior del secador de

convección forzada para que quede a tope con el caucho puesto sobre las costillas y que el plástico de invernadero no genere arrugas y se pueda tensar mejor.

Caracterización:

1) Conectar los ventiladores a una fuente estable de electricidad en lugar de baterías alimentadas por paneles fotovoltaicos, debido a que este último sistema presenta fallas que no garantizan el correcto funcionamiento de los ventiladores, afectando el proceso de secado de convección forzada.

2) Acondicionar el secador de convección natural para que sea equivalente al

secador de convección forzada realizando los siguientes cambios: a. Renovar el plástico de invernadero. b. Mover el secador a una zona libre de obstáculos. c. Orientar el secador en la misma dirección y sentido que el secador de

convección forzada.

73

3) Debido a que el programa de adquisición de los datos del HOBO solo se encontraba en los computadores de la universidad y requiere además que el computador tenga un puerto serial para configurar y descargar los datos, no fue posible revisar los resultados en campo para determinar su validez. Por lo que se recomienda que en experimentos futuros se haga un simulacro de medición, adquisición y lectura de los datos en el taller en el que se pueda verificar el correcto funcionamiento de los instrumentos.

12. REFERENCIAS

Belessiotis, V. & Delyannis, E. (2011) Solar Energy. Solar Energy, 85. Recuperado el 1 de Septiembre del 2013, de la base de datos ScienceDirect.

Castilla, N. (2007). Invernaderos de plástico: Tecnología y manejo. (2da Ed.)

Madrid: Mundi-Prensa Libros.

Davila, J.R (Mayo, 2004) “Estudio experimental del efecto de la porosidad de partículas sobre el proceso de secado en un lecho fluidizado a vacío empleando aire” Recuperado el 15 de Julio del año 2013, del sitio web de Universidad de las Américas Puebla: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/davila_n_jr/

Gómez, E.F. (Diciembre, 2012). “Caracterización del proceso de secado de almidón de sagú en un secador solar tipo túnel Hohenheim” Tesis de grado obtenida no publicada. Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia.

Hohenheim University. Construction Manual: “Solar Tunnel Dryer Type

Hohenheim”. Alemania: Hohenheim University, Institute for Agricultural

Engineering in the Tropics and Subtropics.

Hydroenvironment. (2013, Septiembre 20). Instalación de Mallas y Plásticos en un Invernadero. Obtenido de la página web de Hydronvirnment: http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=119

Incropera, F.P. & Dewitt, D.P. (2002) Fundamental of Heat and Mass Transfer. (5th Ed). Estados Unidos: John Wiley & Sons, Inc.

Kays, W. & Crawford, M. & Weigand, B. (2005) Convective Heat and Mass Transfer. (4th Ed). Nueva York: McGraw Hill.

74

Moreno, P.A. (Noviembre, 2010). “Transferencia tecnológica del secado solar a productores de almidón de sagú en Cundinamarca” Tesis de grado obtenida no publicada. Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia.

O’DONOGHUE, J. & FULLER R.J “Experiences with the Australian versión of the

Hohenheim Solar Tunnel Dryer” Recuperado el 15 de Julio del año 2013, del

sitio web de Australian Solar Council: http://solar.org.au/

Psicrometría (2013, Noviembre 20) En Wikipedia, The Free Encyclopedia de:

http://es.wikipedia.org/wiki/Psicrometr%C3%ADa

Skinco Colombit (2013, Noviembre 26). Catalogo de productos. Obtenido de la

página web de Skinco Colombit:

http://www.skinco.co/perfiles/lineas/index.php?idlinea=3&c=1

Torres, L.J. (Marzo, 2004) “Tecnología para el cultivo de Sagú o Achira (Canna

edulis Ker)” Recuperado el día 8 de Julio del año 2013, del sitio web de

CORPOICA: http://www.corpoica.org.co/

Universidad de Los Andes. (2012) Manual de Construcción y Uso: Secador Solar

de Túnel Tipo Hohenheim para almidón de Sagú o Achira (Versión en Madera).

Bogotá, Universidad de Los Andes: Departamento de Ingeniería Mecánica.

Vinilos y gráficos digitales (2013, Noviembre 12) Obtenido de la página web de

Vinilos y gráficos digitales S.A:

http://www.vinilosygraficos.com/contenido/1717/Plastico-Corrugado--

Coroplast-con-Tratamiento-Corona-para-Impresion.html

Welty, J.R. & Wicks, C.E. & Wilson, R.E. & Rorrer, G.L. (2008) Fundamentals of

Momentum, Heat, and Mass Transfer. (5th Ed). Estados Unidos: John Wiley &

Sons, Inc.

White, F.M. (2010) Fluid Mechanics. (4th Ed) Nueva York: McGraw Hill.

75

13. ANEXOS

ANEXO 1. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

TRANSFERENCIA DE CALOR

Existen 3 modos de transferencia de calor; conducción, convección y radiación. Pero solo la conducción y convección son hacen parte importante en este estudio del proceso de secado. CONDUCCIÓN Es el método de transferencia de calor más común entre sólidos. Y ocurre cuando dos cuerpos que están en contacto o diferentes partes de un mismo cuerpo se encuentran a diferente temperatura. El perfil de temperatura unidimensional en una pared compuesta de tres materiales y espesores diferentes se puede observar en la Figura 15.

Figura 15. Perfil de temperatura debido a la conducción unidireccional en una pared compuesta. Fuente:

WELTY.

La transferencia de calor está gobernada por la ley de Fourier, expresada en la Ecuación 25.

Ecuación 25. Ley de Fourier / Conducción

Donde es el flujo de calor que ocurre en la dirección x perpendicular al área A y debido al gradiente de temperatura en la dirección x. La conductividad térmica k es la habilidad del material para conducir calor debido a un cambio de temperatura. CONVECCIÓN Es el modo de transferencia de calor que ocurre debido al movimiento macroscópico de las partículas en un fluido que está en contacto con una superficie a diferente temperatura. El perfil de temperatura en un fluido en contacto con una placa plana se puede observar en la Figura 16.

76

Figura 16. Perfiles de Velocidad y Temperatura para un fluido que pasa sobre una superficie caliente.

Fuente: WELTY

Este fenómeno se representa mediante la Ley de enfriamiento de Newton (Ecuación 26)

Ecuación 26. Ley de Enfriamiento de Newton / Convección

Donde es el flujo de calor que ocurre entre una superficie de área con temperatura superficial debido al contacto con un fluido de temperatura media . El coeficiente de convección térmica h, depende de varios factores calculados por medio de números adimensionales de Reynolds, Prandtl y Nusselt. Cuando el movimiento del fluido es causado por un elemento mecánico como una bomba o ventilador el proceso se llama convección forzada, mientras que si el movimiento es causado por la diferencia de densidades de un fluido a diferentes temperaturas el proceso es llamado convección libre o natural.

FLUJO INTERNO Cuando un fluido se encuentra en movimiento dentro de una tubería, existe una transferencia de calor entre éste y la pared interna. Esta transferencia de calor puede ocurrir a un flujo de calor constante o a una temperatura superficial constante. Los diferentes perfiles de temperatura generados por estos dos formas de transferencia se pueden observar en la Figura 17.

a) Flujo de calor constante: Debido a que el flujo de calor es independiente y constante a largo de la tubería, se obtiene que la diferencia entre la temperatura media del aire a la entrada y la temperatura superficial a la entrada es igual a la diferencia de temperatura media del aire a la salida y la temperatura superficial a la salida . Como se

observa en la Figura 17.a. El perfil de temperatura se puede determinar mediante la Ecuación 27.

Ecuación 27. Decaimiento térmico - convección - flujo de calor constante

77

Donde es el flujo de calor transferido constantemente a través de la superficie interna de la tubería. es el calor específico promedio del fluido a presión constate y

es el flujo másico promedio del fluido.

b) Temperatura superficial constante: El fluido entra a una temperatura media y su diferencia con la temperatura superficial decae exponencialmente a lo largo del tubo, como se observa en

la Figura 17.b. Este decaimiento en la temperatura está determinado por la Ecuación 28.

(

)

Ecuación 28. Decaimiento térmico - convección - pared isotérmica

Donde es la diferencia entre la temperatura media y la superficie a la salida, es la diferencia entre la temperatura media del fluido y la superficie a la entrada. es el coeficiente de convección promedio. La transferencia de calor en este caso está dada por:

Ecuación 29. Transferencia de calor por convección – flujo interno – pared isotérmica

es la fuerza impulsora del fenómeno de transferencia de calor en tuberías. Este factor es el equivalente a la diferencia de temperatura entre el medio convectivo y una superficie en la convección libre y forzada en flujo externo. Y está dado por la Ecuación 30.

Ecuación 30. Diferencia de temperatura media logarítmica

Figura 17. Perfil de temperatura a lo largo de un ducto a.) flujo de calor constante. B.) temperatura

superficial constante. Fuente: INCROPERA

78

Tuberías no circulares: En caso que la tubería tenga un área transversal diferente a un círculo se hace uso del concepto de diámetro hidráulico para calcular los coeficientes de convección para los diferentes perfiles de tubería. El diámetro hidráulico esta expresado mediante la Ecuación 31.

Ecuación 31. Diámetro hidráulico

Donde:

TRANSFERENCIA DE MASA

Es el fenómeno por el cual la masa se mueve de una región en el espacio a otra. Existen varios mecanismos mediante los cuales se puede llevar a cabo la transferencia de masa, pero los más relevantes son; por difusión debido un gradiente de concentración, y por transferencia debido a convección. DIFUSIÓN Ocurre cuando existe una diferencia de concentración entre dos sustancias. La tasa de transferencia de masa por difusión está dada por la ley de Fick, expresada en la Ecuación 32 para una mezcla binaria de las especies A y B:

Ecuación 32. Ley de Fick de transferencia de masa

Donde es la cantidad de especie A transferida en un intervalo de tiempo, es la densidad de la mezcla entre la especie A y B, es el coeficiente de difusión de A en B y es la fracción másica de la especie A en la mezcla. El coeficiente de difusión representa la facilidad con la que una especie A se puede mover dentro de una especie B. La unidad de este coeficiente es [cm^2/s] o [m^2/s]. Se ha estimado que este coeficiente es inversamente proporcional a la presión y aumenta con la temperatura como lo indica la Ecuación 33.

Ecuación 33. Relación Coeficiente de Difusión, Presión y Temperatura.

Sin embargo, falta refinar los modelos analíticos existentes para determinar estos coeficientes, siendo más precisos los valores determinados experimentalmente.

79

CONVECCIÓN Ocurre cuando una sustancia se encuentra sobre una superficie que está en contacto con un fluido en movimiento. La ecuación de transferencia másica por convección se deriva a partir de ley de enfriamiento de Newton resultando en la Ecuación 34.

Ecuación 34. Transferencia de masa por convección

Donde es el flujo de la especie A desde o hacia el fluido, es la concentración de A en contacto con la superficie sólida y es la concentración de A lejos de la

superficie sólida. El coeficiente de transferencia másica , es equivalente al coeficiente de convección térmica h y éste depende de las propiedades y velocidad del fluido, de la geometría y de las dimensiones de los elementos en contacto. Para determinar este coeficiente se hace uso de los números de Reynolds, Sherwood y Schmidt.

FLUJO INTERNO

Para determinar la tasa de agua transferida del producto hacia el aire en un flujo interno se utiliza un modelo equivalente a la transferencia de masa en un flujo interno con temperatura constante (Ecuación 28). Obteniendo la Ecuación 35 para una pared interna con concentración superficial constante:

Ecuación 35. Transferencia de masa en flujo interno

Donde:

80

ANEXO 2. MEDICIÓN PORCENTAJE HUMEDAD EN ALMIDÓN

Zona A Zona B Zona A Zona B U%

Peso [gr] RH [%] Peso [gr] RH [%] Peso [gr] RH [%] Peso [gr] RH [%]

Día 1

Mañana 1,4012 45,519% 0,7205 44,199% 1,0308 45,000% 0,9725 46,082%

0,2

Noche 1,4497 41,299% 0,7401 41,633% 0,7234 40,136% 1,1793 43,600%

Día 2 Mañana 1,0814 41,646% 0,6844 39,763% 0,8863 42,764% 0,9235 42,033%

Noche 0,563 28,133% 0,8964 34,419% 0,8104 35,246% 0,9625 41,444%

Día 3 Mañana 0,8291 36,590% 0,6309 34,211% 0,7614 34,95% 0,9126 36,102%

Noche 0,6001 29,512% 0,6309 32,715% 0,8539 30,850% 0,813 31,915%

Día 4 Mañana 0,5488 33,532% 0,4189 27,611% 1,0824 33,847% 0,8636 36,685%

Noche 0,5217 22,771% 0,6628 23,210% 0,846 23,090% - -

ANEXO 3. LISTA HERRAMIENTA TRABAJO EN CAMPO

Cantidad Herramientas - Trabajo en Campo

1 Taladro

1 Remachadora

1 Centro Punto

1 Martillo

6 Prensas en C

2 Destornilladores Estrella

1 Saca Bocado D:1cm

1 Pistola Silicona

1 Tijeras de Lamina

1 Bisturí

3 Brocas 1/8"

3 Brocas 5/32"

2 Escuadras

1 Nivel

1 Calibrador Pie de Rey

2 Fluxómetro - 4m

2 Extensiones Eléctricas

81

ANEXO 4. LISTA MATERIALES CONSTRUCCIÓN

# Ref Cantidad Descripción Medida

01 10 Tubos cuadrados 2" 100cm

02 5 Tubos cuadrados 2" 130cm

03 10 Tubos cuadrados 1 3/4" 34cm

04 1 Tubos cuadrados 1 3/4" 267cm

05 1 Tubos cuadrados 1 3/4" 333cm

06 2 Tubos cuadrados 2" 6m

07 4 Tubos de Aluminio de 1" Doble Aleta 267cm

08 4 Tubos de Aluminio de 1" Doble Aleta 333cm

09 2 Ángulos de aletas iguales 267cm

10 2 Ángulos de aletas iguales 333cm

11 10 Platinas Lisa 4" x 1/8" Crudo 10cm

12 10 Ojos carrocería 3/8" D=1"

13 1 Espuma Rectangular (2" x 1/4") 15m

14 5 Platinas Lisa 2"x 3/16" 180cm

15 1 Alambre Acero Calibre 12 1kg

16 4 Vidrios Cal: 4mm 77cm x 1m

17 3 Teja de Zinc 80cm x 128cm

18 1 Lamina Super Board 193cm x 122cm

19 6 Laminas Carton Plast 130cm x 66cm

20 1 Pegante Caucho PEGACAUCHO 750mL

21 2 Rieles de Closet 267cm

22 2 Rieles de Closet 333cm

23 1 Empaque Banda 38,1 x 3,18mm 8m

24 1 Espuma Rectangular 1 3/4 x 5/16" IC-773 12m

25 1 Empaque Jaquima en H IC 03ND 2m

26 100 Remaches 5/32" x 5/16"

27 50 Remaches 1/8" x 1/2"

28 50 Tornillo/Rosca 5/32" 1,5"

29 32 Tubos Vacutainer Tapa Roja 6mL

30 3 Pintura en Spry Negro

31 2 Ventiladores 12VDC - 32W Nominal D = 17cm

32 1 Plástico Polietileno Filtro UV - AGROLENE (3m) 280cm

33 1 Plástico Polietileno Filtro UV - AGROLENE (3m) 180cm

34 1 Plástico Polietileno Filtro UV - AGROLENE (3m) 5m

35 1 Angeo Plástico (2m) 2m

36 2 Pie de amigo (35cm x 25cm)

37 1 Tarro Silicona Liquida

38 2 ángulos de Aletas Iguales 1" (1/8") 2m

82

ANEXO 5. COTIZACIÓN MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Empresa Descripción Costo

El Palacio del Aluminio

3 Tubos cuadrados 1 3/4" $ 162.000

2 Tubos cuadrados 2" $ 93.000

4 Tubo de Aluminio de 1" Doble Aleta $ 112.000

2 Ángulos de Aletas Iguales $ 191.400

Mundial de Aluminios Cra 45 No.13-92

Platina Lisa 4" x 1/8" Crudo $ 12.377

Platina Lisa 3/4 x 1/8" (2 Tramos + 3m) $ 27.000

Platina Lisa 2"x 3/16" (1 Tramo + 2m) $ 60.603

Platina Lisa 2"x 3/16" (2m) + Riel de Closet (1m) $ 21.576

Perfil L Aluminio $ 3.140

2 Riel de Closet $ 65.117

1 Tubo cuadrado 1 3/4" $ 45.000

Universal de Cauchos Hurtado

Cra 29 No. 10-25/37

15 Metros Espuma Rectangular (2" x 1/4") $ 66.000

Espuma Rectangular 1 3/4 x 5/16" IC-773 12m $ 40.368

Empaque Jaquima en H IC 03 ND - 2m $ 14.106

Empaque Banda 38,1 x 3,18mm - 8m $ 18.402

Vidrios El Diamante 4 Vidrios (77cm x 1m) $ 92.800

Silicona para Vidrio $ 7.900

Central de Tornillos y Remaches

30 Tornillos Estufa 3/16" x 3" $ 8.000

10 Ojos Carroceria 1" Interior 3/8 Diam $ 15.000

30 Tornillos $ 1.000

Mundial de Tornillos 100 Remache Ciego (1/8"x1/8") $ 3.000

100 Remache ciego (5/32"x5/16") $ 3.000

Puntialambres Cra 25 No.13-53 Paloquemao

Alambre Calibre 12 [1kg] $ 3.100

Quíos LTDA 100 Tubos Vacutainer 3mL $ 45.000

Plastico Invernadero (3m x 5m) $ 25.000

Digitronica 2 Ventiladores 12VDC 32W $ 70.000

ACESUM SAS 3 Teja de Zinc $ 23.998

1 Lamina Super Board $ 29.399

Plásticos de La Sabana 4 Laminas Carton Plast $ 40.000

Pegante Caucho PEGACAUCHO 750mL $ 9.000

Molduras de Colombia Marco de Madera $ 60.000

Manufactura

Peralta Estructuras Metálicas Mundial del Acero

Doblez 5 Platinas $ 28.000

TOTAL $ 1.396.286

* Precios incluyen IVA (16%)

83

ANEXO 6. PROCESO DE MANUFACTURA

Trabajo en Taller

# Nombre Proceso Herramienta Imagen

1

Corte: Patas Burros Patas Ajustables Travesaños

Corte con cortadora eléctrica. Según las dimensiones establecidas

en el ANEXO 8.

1 Cortadora Eléctrica Cinta Métrica

2 Rieles Ángulos en L

Corte con segueta según las dimensiones establecidas en el plano No. P2

1 Segueta 1 Prensa en C Cinta Métrica

3 Patas Burros Corte a 27° de las patas según plano No. P4

Ingletadora

4 Agujeros Patas Ajustables

Se taladran 5 agujeros de ½” sobre las 10 Patas ajustables según plano No. P3

Taladro Vertical 1 Broca ½”

84

5 Soldadura Patas Ajustables

Se realiza soldadura de filete entre tubo cuadrado 1 3/4” y platina de aluminio 4”x1/4”. Tamaño de cuello 5mm.

Máquina de Soldar 1 Nivel 1 Escuadras

6 Soldadura Burro

Se sueldan patas con travesaño para formar los burros. Soldadura de filete en costado superior e inferior del travesaño. Plano No. P4

Maquina de Soldar 1 Nivel 4 Escuadras

7 Doblado Costillas

Se doblan 5 platinas de 2”x 3/16”. Según plano No. P5

Dobladora eléctrica. Mundial de Aceros.

8 Agujeros Superiores Costillas

Se abren 2 agujeros en la parte superior de las 5 costillas. Plano No. P5

Talador Vertical 1 Broca 5/32”

9 Remachado Costillas /Burros

Se taladran agujeros de 5/32“ que atraviesan la costilla y la primera pared de la pata del burro. Plano No. P5. Después se remachan los dos elementos.

Taladro Manual Remachadora 30 Remaches ciegos 5/32” x 2 Prensas en C

85

10 Huecos Ángulos L

Se taladran agujeros de 1/8” en 2 ángulos de 3.33m y en los 2 ángulos de 2.67m según plano No. P2

Taladro Manual 1 Prensa en C 1 Broca 1/8”

11 Huecos Rieles

Se taladran agujeros de 1/8” en 4 rieles de 3.33m y en los otros 4 rieles de 2.67m según plano No. P1

Taladro Manual 1 Prensa en C 1 Broca 1/8”

12 Marco Madera Se manda a construir un marco de madera según dimensiones. Plano No. P6.

Molduras de Colombia

13 Ensamble Ventiladores

Se ensamblan los ventiladores con el marco de madero con tornillos de madera de 2.9x16mm

8 Tornillos 2.9x16mm

14 Corte tacos SuperBoard

Se cortan 10 tacos de Superboard de 3x2”c/u mediante una caladora. Con retales de Superboard sobrante.

1 Caladora 2 Prensas en C

15 Corte Angeo Se corta el angeo según las dimensiones de la costilla. Plano No. P5

1 Tijera

86

Trabajo en Campo

# Nombre Proceso Herramienta Imagen

1 Taladrado en Burros

Se coloca el taco en medio de los ángulos en L y la pata del burro. Se taladran huecos pasantes de 1/8”.

Taladro Manual 4 Prensas en C

2 Remachado Angulo L - Burros

Se remacha el ángulo con los burros (Travesaño y Pata) Plano #.

40 Remaches Remachadora

3 Remachado Rieles - Burros

Se alinean los rieles y se taladran agujeros sobre el travesaño de 5/32” según el plano #. Se remachan los rieles al travesaño con remaches 5/32”x ¼”

40 Remaches 5/32”x ¼” Remachadora Taladro 3 Prensas en C

4 Remachado Larguero Superior

Se alinea y prensa el larguero superior a las costillas. Se taladran huecos de 5/32” sobre el larguero. Se remacha el larguero y la costilla con remaches de 5/32”x1/4”

12 Remaches 5/32x1/4” 2 Prensas en C Taladro Remachadora

5 Unión pegamento de Caucho

Se cortan las bandas de caucho rectangulares de 2”x1/4” según plano # y se aplica Pegacaucho sobre esta y la superficie donde va a ir puesta. Se espera entre 10 y 15 min

Pegacaucho

87

y se pegan.

6 Unión pegamento Cartonplast

Se aplica Pegacaucho sobre las láminas de Cartonplast y los rieles. Se espera 10 a 15 mina que se seque. Se colocan las láminas de Cartonplast en el costado inferior de los rieles.

Pegacaucho

7

Montaje Vidrios

Se remacha el ángulo en L a las costillas en ambos costados. Se montan los vidrios soportados en las costillas y en el ángulo.

Talador Remachadora

8

Se coloca entre ellos el sello de caucho Se aplica silicona líquida en los puntos de contacto

Silicona Liquida

9 Remachado Agarraderas

Se taladran agujeros pasantes de 5/32” entre la agarradera y las patas de un solo costado del secador. Se remachan estos dos elementos con remaches de 5/32” x ¼”.

Taladro Manual Remachadora 8 Remaches 5/32”x1/4”

10 Tensión del Plástico

Se introduce el plástico entre la agarradera y el alambre en zig-zag en los dos pares de agarraderas. Se anclan las bandas de caucho a los tornillos de las patas para tensar el plástico.

88

ANEXO 7. DIAGRAMA ELÉCTRICO. Fuente: Gabriel Felipe Flechas

89

ANEXO 8. PLANOS SECADOR HOHENHEIM CONVECCIÓN FORZADA

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

ANEXO 9. CODIGO EES - MODELO TEORICO TRANSFERENCIA CALOR Y MASA

"[PARAMETRO]" "u_1=0,58[m/s] Velocidad del viento Entrada: Variable con el ventilador" "[VARIABLES AMBIENTALES]" g=9,81[m/s^2] q_dot_placa=300 [w/m^2] "Radiacion Solar sobre el Secador: Energia inducida al Aire en el Colector" P_atm=78,16588 [kPa] "Presion atmosferica de Pasca, Cundinamarca: Altura: 2076m (google earth)Presion Atmosferica: 78165,88Pa [Edwin, Pg.60]" rh_1=0,60 "Humedad Relativa Ambiente: Promedio entre 50% y 60% en las horas del Dia / Noche entre 65% y 90% [Edwin, Pg.60] - ,75" T_1=16 [C] "Temperatura Ambiente: Promedio entre 30°C y 20°C en las horas del dia / Noche 10°C y 15°C [Edwin, Pg.65]" omega_1=HumRat(AirH2O;T=T_1;r=rh_1;P=P_atm) "Relacion de Humedad del Agua en (1) [kg H2O/kg Air] " rho_1=Density(AirH2O;T=T_1;w=omega_1;P=P_atm) "Densidad aire Seco - Entrada del colector" rho_1_R=rho_1*(1+omega_1) "Densidad aire Humedo - Entrada del colector" cp_1=Cv(AirH2O;T=T_1;w=omega_1;P=P_atm) "Calor Especifico del Aire Humedo/ kg Dry Air; a la salida del colector (1) [kJ/kg.k]" mu_1=Viscosity(AirH2O;T=T_1;w=omega_1;P=P_atm) "Viscosidad Aire Humedo" m_dot_1=rho_1*A_trans*u_1 "Flujo masico: Entrada del Colector- kg(Air)/m3 (Mezcla)" m_dot_1_R=rho_1_R*A_trans*u_1 "Flujo masico: Entrada del Colector - kg(Mezcla)/m3 (Mezcla)" "[GEOMETRIA SECADOR]" L_col=2 [m] "Longitud del Colector" L_sec=4 [m] "Longitud Etapa de Secado" A_trans=2834,34 [cm^2]*convert(cm^2;m^2) "Area Transversal Secador" Perim_sec = 2,964 [m] "Perimetro del Area Transversal del Secador"

102

D_h=4*A_trans/Perim_sec "Diametro Hidraulico [m]" Ancho_col=1,3 [m] "Ancho del Colector/Secador [m]" "MODELO TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA" "[COLECTOR]" "Conservacion masa entre 1-2" m_dot_1=m_dot_2 m_dot_1_R=m_dot_2_R "Conservacion Humedad especifica entre 1-2" omega_1=omega_2 "ESTADO 2" rh_2=RelHum(AirH2O;T=T_2;w=omega_2;P=P_atm) "Humedad relativa en 2" cp_12=Cv(AirH2O;T=T_12;w=omega_2;P=P_atm) "Calor Especifico del Aire Humedo/ kg Dry Air; [kJ/kg.K]" T_12=(T_1+T_2)/2 "Temperatura Promedio entre 1-2" rh_12=(rh_1+rh_2)/2 "Humedad Relativa Promedio entre (1) y (2)" rho_2=Density(AirH2O;T=T_2;w=omega_2;P=P_atm) "Densidad aire Seco - en (2)" rho_2_R=rho_2*(1+omega_2) "Densidad aire Humedo - en (2)" m_dot_2=rho_2*A_trans*u_2 "Flujo masico: Entrada del Secador - kg(Air)/m3 (Mezcla)" mu_2=Viscosity(AirH2O;T=T_2;w=omega_2;P=P_atm) "Viscosidad en 2" k_2=Conductivity(AirH2O;T=T_2;w=omega_2;P=P_atm) "Conducitividad Termica del Aire en 2 [W/m.K]" "Reynolds 12" rho_12_R=(rho_1_R+rho_2_R)/2 "Densidad aire Seco - Promedio entre (1) y (2)" mu_12=(mu_1+mu_2)/2 u_12=(u_1+u_2)/2 nu_12=mu_12/rho_12_R Re_12=u_12*D_h/nu_12 "Ecuacion de Transferencia de Calor por Conveccion" q_dot_placa*Ancho_col*L_col=m_dot_2*cp_12*(T_2 - T_1) "[CAMARA DE SECADO]" " - Flujo Masa de Agua + Aire en (2) - " m_dot_w_2=m_dot_2*omega_2

103

"ESTADO 3" rho_3=Density(AirH2O;T=T_3;w=omega_3;P=P_atm) "Densidad aire Seco - Promedio en (3)" u_23=(u_2+u_3)/2 rh_23=(rh_2+rh_3)/2 rh_3=RelHum(AirH2O;T=T_3;w=omega_3;P=P_atm) T_23=(T_2+T_3)/2 " - Flujo Masico Aire Humedo - " rho_3_R=rho_3*(1+omega_3) "Densidad aire Humedo - en (3)" m_dot_3_R=m_dot_2_R+m_dot_evap m_dot_3_R=rho_3_R*A_trans*u_3 m_dot_23_R=(m_dot_2_R+m_dot_3_R)/2 rho_23_R=(rho_2_R+rho_3_R)/2 "Densidad aire Humedo - Promedio entre (2) y (3)" " - Conservacion de masa entre 2-3 - " omega_3=(m_dot_w_2+m_dot_evap)/m_dot_2 " - Viscosidad - " mu_3=Viscosity(AirH2O;T=T_3;w=omega_3;P=P_atm) mu_23=(mu_2+mu_3)/2 " - Calor Especifico del Aire Humedo/ kg Dry Air; [J/kg.K] - " cp_23=(cp_2+cp_3)/2 cp_2=Cp(AirH2O;T=T_2;w=omega_2;P=P_atm) cp_3=Cp(AirH2O;T=T_3;w=omega_3;P=P_atm) "TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION" " - Numero Adimensionales: Transferencia de Calor - " " + Conductividad" k_3=Conductivity(AirH2O;T=T_3;w=omega_3;P=P_atm) k_23=(k_2+k_3)/2 " + Reynolds" nu_23=mu_23/rho_23_R Re_23=u_23*D_h/nu_23 " + Prandatl" Pr_23=cp_23*mu_23/k_23 " + Nusselt: [Prandatl 0,7 - Flujo Interno Turbulento- Temperatura Constante - WILLIAM KAYS]" Nusselt_23= 0,021*(Pr_23^0,5)*(Re_23^0,8) Nusselt_23=h_bar_conv*D_h/k_23 " + Temperatura de bulbo Seco del Almidon: Constante a lo largo de la superficie " T_bh=WetBulb(AirH2O;T=T_23;w=omega_23;P=P_atm) " - Ecuacion de Conveccion: Flujo Interno @T_bh=cte - " DELTA_To=T_bh-T_3 DELTA_Ti=T_bh-T_2 ArgT2=-Ancho_col*L_sec*h_bar_conv/(m_dot_2*cp_23) DELTA_To/DELTA_Ti=exp(ArgT2)

104

Arg_T1=(DELTA_To/DELTA_Ti) DELTA_T_Lm=(DELTA_To-DELTA_Ti)/ln(Arg_T1) " - Transferencia de Calor: desde el aire hacia el Producto - " q_dot_conv=-h_bar_conv*Ancho_col*L_sec*DELTA_T_Lm " Evaporación de Masa: por Calor Conveccion" DELTAh_vap=Enthalpy_vaporization(Water;T=T_bh) m_dot_evap=(q_dot_conv/DELTAh_vap) "TRANSFERENCIA DE MASA" " - Coeficiente de difusion [m^2/s] - " D_23=D_12_gas('Air';'Water';T_23;P_atm) " - Numeros Adimensionales: Transferencia Masa - " " + Numero de Schmidt" Sc_23=nu_23/D_23 " + Numero de Sherwood- Flujo Interno Turbulento- Temperatura Constante - WILLIAM KAYS" Sherwood_23= 0,021*(Sc_23^0,5)*(Re_23^0,8) Sherwood_23=h_bar_mass*D_h/D_23 " - Concentraciones - " " + Concentracion agua en el producto @P_sat , calidad=1" p_w_sat_bh=P_sat(Water;T=T_bh) "Presion de Saturacion de Agua @ T_bh [kPa]" C_bh=Density(Water;P=p_w_sat_bh;x=1) " + Concentracion de Agua en Aire Humedo en (2) @T_23)" C_2=omega_2*rho_2 " + Concentracion de Agua en Aire Humedo en (3) @T_23)" C_3=omega_3*rho_3 " - Flujo de masa de Agua Evaporada [kg/s] - " DELTA_C_o=C_bh-C_3 DELTA_C_i=C_bh-C_2 ArgC_1=(DELTA_C_o/DELTA_C_i) " + Diferencia de concentracion Log Media: DELTA_C_o < DELTA_C_i" DELTA_C_Lm=(DELTA_C_o-DELTA_C_i)/ln(ArgC_1) " - Limitación Transferencia de Masa - Ecuaciones Excluidas: - " "ArgC_2=-h_bar_mass*Ancho_col*L_sec/(u_23*A_trans)" "(DELTA_C_o)/(DELTA_C_i)=exp(ArgC_2)" m_dot_evap=h_bar_mass*Ancho_col*L_sec*DELTA_C_Lm m_dot_evap_hr=m_dot_evap*convert(kg/s;kg/hr) "Calor Requerido para evaporar m_dot_evap" q_dot_evap=m_dot_evap*DELTAh_vap

105

"DIMENSIONAMIENTO SISTEMA VENTILACIÓN" " - Caudal Entrada - " Q_12=m_dot_1/rho_1 Q_12_hr=Q_12*convert(m^3/s;m^3/hr) Q_12_CFM=Q_12_hr*convert(m^3/hr;ft^3/min) " - Caudal Salida - " Q_23=m_dot_23_R/rho_23_R Q_23_hr=Q_23*convert(m^3/s;m^3/hr) " - Caida de Presion - " DELTAP=(rho_1_R*g*(hf_12+h_k+h_SC))+(rho_23_R*g*(hf_23+h_SE)) DELTAP_12=(rho_1_R*g*(hf_12+h_k+h_SC)) DELTAP_23=(rho_23_R*g*(hf_23+h_SE)) " - Cabeza de Presion - " h_tot=DELTAP/(rho_23_R*g) " - Rugosidad - " epsilon_12=0,12 [mm]*convert(mm;m) "Rugosidad Equivalente- Teja= Asphalted Casted Steel" epsilon_23=0,12 [mm]*convert(mm;m) "Rugosidad Equivalente- Producto= Asphalted Casted Steel" RR_12=epsilon_12/D_h "Rugosidad con respecto al Diametro Hidraulico" RR_23=epsilon_23/D_h " - Perdidas por Friccion - head loss = DELTAp/(rho*g) = f * (L/D )* (V^2/(2*g)) [m] - " f_12=MoodyChart(Re_12; RR_12) hf_12=f_12*(L_col/D_h)*(u_12^2)/(2*g) f_23=MoodyChart(Re_23; RR_23) hf_23=f_23*(L_sec/D_h)*(u_23^2)/(2*g) " - Dynamic Head - " h_k=(u_1^2)/(2*g) " - Perdidas por Contraccion - ENTRADA - WHITE pp 373 - Ec 6102 - " K_SC = K_Sharp_Edged_Pipe_Inlet(d_vent) h_SC=K_SC*(u_1^2)/(2*g) " - Perdidas por el Difusor - SALIDA - Sudden Expansion - WHITE pp 371 - " d_vent=20[cm]*convert(cm;m) K_SE=K_Sharp_Edged_Pipe_Exit('Turbulent') h_SE=K_SE*(u_1^2)/(2*g) " - Potencia Requerida - " Pot_vent=(DELTAP_12*Q_12)+(DELTAP_23*Q_23) Relacion B/C R_BC=m_dot_evap/pot_vent R_BC_2=m_dot_evap/(pot_vent*t_secado_hr)

106

"PROCESO DE SECADO" " - Humedad Inicial - " m_i=30 [kg] "Suposicion: 20kg de Masa inicial de Almidon + Agua - Masa Total Inicial" omega_i_almid=0,45 "Humedad Especifica en base Humeda del Almidon - kg Agua/kg Mix EDWIN pp51" m_w_i=m_i*omega_i_almid "Masa de agua Inicial, presente en el Almidon" " - Humedad Final - " omega_f_almid=0,25 "Humedad en Base Humeda del Almidon - Humedad comercial/Final" m_w_f=m_i*omega_f_almid "Masa de agua final, presente en el Almidon" " - Masa Total Evaporada - " m_tot_evap=(m_w_i-m_w_f) " - Tiempo de Secado - Humedad Final 20% - 10kg de Almidon Humedo" t_secado=m_tot_evap/m_dot_evap "[s]" t_secado_hr=t_secado*convert(s;hr) "[hr]" t_secado_dias=t_secado_hr/12 "[hr] @ 12 Horas de Sol/Dia" "Humedad relativa en Porcentaje" rhp1=rh_1*100 rhp2=rh_2*100 rhp3=rh_3*100