SECADORES SOLARES DIRECTOS: UNA OPCION PARA EL

Revista Granma Ciencia. Vol. 19, no. 1 enero - abril 2015
ISSN 1027-975X
Título: Secado de productos agropecuarios en las comunidades rurales:
secadores solares directos.
Title: The use of solar direct dryers for the preservation of agricultural products in
the rural communities.
Autores: Ciro César Bergues - Ricardo1
José Raúl Díaz - López2
Alonso Torres - Ten3
Eugenio López - Aldana4
Maritza Alonso - Mancebo
Institución: 1CEEFE, Universidad de Oriente, Cuba.
2
Facultad de Ing. Mecánica.
3
Centro de Investigaciones de Energía Solar, Cuba.
4
Maestrante, CEEFE, Universidad de Oriente, Cuba.
Email: [email protected]
RESUMEN
La investigación da a conocer los principales aspectos
que influyen en
la
generalización sostenible de secadores solares directos en comunidades rurales. Se
describe el secado solar directo de productos agropecuarios factible en condiciones
tropicales, especialmente en un secador solar de semillas con cubierta de polietileno y
los resultados de sus evaluaciones con semillas en Cuba. Se analizaron brevemente
los impactos energético, económico y social de los secadores, que están relacionados
por su origen y su carácter multipropósito con la serie de secadores solares “SECSOL”
diseñados y desarrollados en Cuba.
Palabras claves: Secadores solares directos, Secado solar de productos agropecuarios
ABSTRACT
This paper considers the main aspects that influence sustainable generalization of solar
dryers in rural communities. Solar direct drying of agricultural products suitable for
tropical conditions, especially in a solar seed dryer with polyethylene cover is described.
The results of its evaluation in Cuba are presented for a group of seeds. Energetical,
economical and social impacts of solar dryers (Secsol series, designed and developed in
Cuba) are analyzed briefly.
Keywords: Solar direct dryers. Solar drying of agricultural products
INTRODUCCIÓN
Las actuales instalaciones de secado que aprovechan la energía térmica solar tienen
sus antecedentes en el secado al sol. Un secador solar es un equipo térmico que
aprovecha la radiación solar incidente directamente sobre su superficie, y en el que al
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producirse el efecto invernadero en su interior, se logran temperaturas diurnas del aire
entre 45 y 80 ºC. La energía térmica acumulada en el interior del secador permite
mantener dichos valores de temperatura gracias al efecto invernadero (temperatura
media del aire entre 20 y 30 ºC por encima de la ambiental). El aumento de la
temperatura baja la humedad relativa del aire, aumentando sus posibilidades como
agente secador, lo cual es aprovechado para secar diversos productos agropecuarios,
semillas y vegetales, con la finalidad de ser conservados, para ser usados
posteriormente. Muchos se secan sin perder sus propiedades. Es importante conocer
que cada uno tiene una temperatura y un tiempo de secado característico.
Si bien el secado solar natural es una de las ramas más antiguas de la tecnología, el
secado solar directo utilizando secadores solares es una de las ramas mas jóvenes y
altamente rentables durante la explotación de las fuentes renovables de energía,
caracterizada por su alto potencial energético, económico, social y ecológico; esto
contribuye a la conservación del medio ambiente, al evitar emisiones de dióxido de
carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, productos del consumo de combustibles fósiles y
electricidad. Por su función de evitar emisiones contaminantes, sustituyendo el uso de
electricidad y petróleo por energía limpia, son equipos de acción ecológica positiva,
favorable para la vida en el planeta, por lo tanto, no comprometen el futuro del medio
ambiente.
La agricultura sostenible es una necesidad imperiosa de la humanidad, si se quiere
evitar la destrucción del medio ambiente, lo cual, se logra con el uso de equipos
secadores que no comprometen el futuro, como lo son los secadores solares directos,
de productos agropecuarios, semillas y vegetales.
En Cuba, han sido diseñado y construido diversos tipos de secadores solares, algunos
de los cuales están instalados en la zona oriental del país, como el que se describe en
este trabajo. Mediante un método gráfico y numérico sistémico ingenieril, algunos de
cuyos aspectos gráficos se muestran, este sistema de secadores ha sido estudiado y
sistematizado con el fin de obtener secadores solares viables, para diversos productos,
especialmente en condiciones tropicales, donde estamos situados.
Los principales factores que influyen en su generalización sostenible en las
comunidades rurales son sus parámetros energéticos, su bajo grado de complejidad
tecnológica (diseño de estructura sencilla), la utilización de materiales locales de bajo
costo. Además es muy importante el nivel de conocimiento de los posibles usuarios
sobre estos secadores, que incluye el nivel de percepción por el mismo de la necesidad
imperiosa de sustitución de tecnologías tradicionales por las basadas en fuentes
renovables de energía.
En particular, la ONG cubana “Cubasolar”, el Centro de Investigaciones de Energía
Solar de Cuba (CIES) y el Centro de Eficiencia Energética (CEEFE), perteneciente al
Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio ambiente (CITMA) y Ministerio de educación
superior (MES) han sido las instituciones que en Cuba se han ocupado del desarrollo e
introducción de aplicaciones del secado solar en las últimas dos décadas. Los trabajos
desarrollados han sido evaluados de factibles en diversas aplicaciones en nuestras
condiciones tropicales.
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En este trabajo se resumen algunas de las más importantes experiencias cubanas de
equipos solares de costo muy bajo, y aplicación directa en la agricultura sostenible, con
características apropiadas para su extensión.
MATERIALES Y MÉTODOS
La evaluación térmica de secadores se basó en diseños multifactoriales que a menudo
contemplan de 2 a 3 niveles de carga y radiación, como es usual en este tipo de
experimento a nivel internacional. Las temperaturas y radiaciones medidas sirven para
el cálculo de la eficiencia y de los parámetros de la cinética del secado y flujo de fluidos,
como los coeficientes de transferencia de calor, de masa, las pérdidas de energía en
diferentes partes del secador y las eficiencias térmicas globales medias. Las mediciones
se efectuaron en periodos representativos de verano e invierno (Julio y Agosto, Enero y
Febrero), durante los períodos de cosecha de los productos secados.
Las lecturas de radiación y temperatura son horarias. El peso seco se realizó
diariamente cada 3 a 6 horas, de acuerdo a la naturaleza del producto.
Instrumentación para la evaluación de los secadores y diseño de experimentos
Radiación solar Global: Piranómetros de precisión. Con error relativo máximo: 2
%.
Temperaturas del aire: Termómetros de columna de mercurio (Nivel de error
máximo 1˚C, o termopares con error 0,01˚C. Termómetros digitales de error
máximo 0,01˚C.
Humedad relativa, absoluta y entalpía del aire: Psicrómetros de laboratorio con
precisión 0,1˚C para la medición de temperaturas seca y húmeda. Utilización de
tablas psicrométricas. Nivel de error máximo estimado: 2%.
Peso seco del producto en base húmeda y seca: Balanzas de precisión
electrónicas para el producto húmedo y seco. El nivel de error absoluto 0,0001g;
error relativo menor de 1%. Además, se usaba una estufa u horno de
deshidratación con convección forzada y termostato con error máximo 1 ºC.
La velocidad de aire exterior e interior se media con Anemómetros de precisión
soviéticos o japoneses con error máximo de 5 %, portátiles o situados en un
brazo de 2 a 5 m. También se utilizaban medidores electromagnéticos de flujo
con error máximo de 5 %.
Los instrumentos de medición estaban conectados a un data loguer con salida a PC,
con lo cual había posibilidades de procesar los datos y graficarlos. La velocidad de
evacuación de aire por una chimenea se medía indirectamente por balance energético y
la altura de la misma, y se verificaba con flujómetros de alta precisión del tipo tubo de
Pitot.
Mediciones de calidad del producto en laboratorios especializados: Se midió con bajo
nivel de error (un 5% o menor), el contenido de aceites esenciales; principios activos;
nitrógeno o proteína; vitaminas C; D y otras; carbohidratos; pepsina; por ciento de
semillas germinados, etc.
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Todos los instrumentos estaban debidamente controlados por el departamento
provincial de metrología y poseían su certificado y sello de calibración fechado. Las
mediciones fueron avaladas por las empresas de semillas y plantas medicinales
pertenecientes al MINAGRI en la provincia de Santiago de Cuba.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como resultado del trabajo de sistematización, diseño y evaluación de secadores en la
Ciudad de Santiago de Cuba, se obtuvieron los diseños y evaluaciones de más de 15
secadores, de los cuales, en este trabajo, por su importancia se describe éste para su
generalización sostenible en condiciones tropicales.
Cubierta secadora solar con cubierta de polietileno
Esquemas, descripción y principios de trabajo
Costo aproximado: 5 USD/m2
Los datos técnicos de este secador son: Eficiencias térmicas medias: Entre 2 y 20 %,
según la variante empleada. Para su determinación se midieron los niveles de radiación,
temperaturas y agua evaporada. Los cálculos de transferencia de calor y masa
correspondientes fueron realizados durante la modelación térmica de los secadores por
los modelos existentes en la literatura [8,10] confirmaron los valores de eficiencia
medidos. (Figura 1)
Secador con cubierta negra: Capacidad 6 a 18 Kg. de semillas por metro cuadrado y
día, nivel de carga: 1 a 3kg/m2. Tiempo de secado para la mayoría de los productos: 1
día.
Secador con cubierta transparente: puede cuadruplicar la capacidad del anterior en
días claros. Este secador es ideal para el pequeño productor.
Esq u e m a
2
d el S e c a d o r
1.
2.
3.
4.
5.
3
1
5
C u b i e r t a d e p o l i e ti l e n o .
C hi m e n e a.
P al a nc a p a r a l a re m o ci ó n
R e m ov e d o r.
P l a t af o r m a d e s e c a d o .
4
Figura 1. Esquema del secador de cubierta para semillas y granos
El principio de trabajo radica en el uso activo de la Energía Solar donde la tecnología
interviene activamente en la transformación de la energía radiante del sol. La radiación
solar penetra por una cubierta de polietileno, fijada sobre una estructura hexagonal de
cabillas finas o alambrón. Si la cubierta es transparente se produce el efecto
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invernadero. La radiación es absorbida por el piso. En este caso la temperatura puede
subir hasta 60 ºC o más.
En el caso de cubierta de polietileno negro, no se desarrolla el efecto invernadero, y el
calor es transmitido hacia abajo por radiación y conducción. En este caso se logra una
distribución de temperaturas favorable al secado de productos termolábiles, como las
semillas y vegetales, con temperatura máxima casi homogénea en toda la masa de aire
de 35 a 40 0C, las que alcanza estos niveles en el piso del secador, donde se
encuentra el material en cama fina, esos productos se ponen en contacto con el aire
caliente encargado de evaporar el agua que estos contienen.
El aire exterior ingresado se mueve por tiro natural, penetra a través de las paredes,
que poseen limitadores o dispositivos aerodinámicos de doble capa y material plástico o
saco de yute, material poroso. Los mismos cumplen la doble función de aislamiento
térmico y su apertura permite la entrada regulable del viento de más de 3 m/s. El aire
caliente que evapora el agua contenida en el producto, se evacua a través de una
chimenea central, que posee una mariposa para regular el tiro.
La cubierta polietileno negro no da efecto invernadero y solo calentamiento de la
cubierta y transmisión del calor al piso por radiación infrarroja. Cuando el captador se
ennegrece con pintura negra, la temperatura a nivel del producto se hace mayor,
superando los 40 0 C. El régimen de carga se hace teniendo en cuenta las experiencias
anteriores y los resultados de la evaluación funcional de carga, para este diseño.
Al eje de la chimenea central, que activa la convección, está acoplado un removedor
para el producto con un brazo radial o palanca. El órgano removedor tiene escobillas
para no dañar el endospermo de las semillas. El movimiento es circular y manual; y
puede tener intervalos de 15 minutos a 6 horas para acelerar la velocidad de secado
del producto. A la evacuación autorregulada del aire y la humedad ayuda la distribución
de vientos del lugar.
Cuando la cubierta es de polietileno transparente de larga duración térmica (LDT), el
comportamiento de la transmisividad global directa e inversa es similar al vidrio,
lográndose temperaturas máximas de unos 60 0C y eficiencias térmicas promedio
anuales de un 16 %. Cuando la cubierta es de polietileno negro, se logran eficiencias
térmicas del 2%, y temperaturas de unos 37 a 40 0C durante todo el año. En este caso
el secador es apropiado para secar semillas. (Bergues, 2008)
Los excelentes parámetros de este secador hacen que éste se amortice en un tiempo
mínimo de solo algunos meses, en dependencia de la naturaleza del producto a secar.
Este secador en sus diversas variantes es apropiado para el pequeño productor y no
para esquemas centralizados de secado de semillas y granos, por su capacidad. Es
ideal para zonas apartadas y para proyectos vinculados a las tareas de la defensa del
país.
El régimen de reparaciones vendrá dado por los factores de deterioro durante su
explotación:
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El polietileno (material reciclave por diferentes métodos) se sustituye cuando es
deteriorado por un golpe, efecto atmosférico, sísmico o geotérmico que se
produzca de forma inesperada.
El resto de los materiales son de larga duración, siempre que estén bien
conservados, aislados de agentes destructores, pintados adecuadamente y sin
posibilidad de algún movimiento que lo obligue a modificar su estructura.
Parámetros de funcionamiento del Secador solar de cubierta de 3 m 2 con cubierta
de polietileno para semillas.
Se construyeron tres variantes evaluadas paralelamente: Cubierta de polietileno
transparente de 125 micras, cubierta de polietileno negro de 125 micras y cubierta
metálica chapa negra acero 1,5 mm de espesor.
La humedad final del producto es de 13% en base húmeda, la que se corresponde con
la humedad de equilibrio de las semillas en nuestras condiciones: de 13 al 14%.
Las curvas muestran temperaturas superiores en la variante con cubierta de polietileno
transparente, y temperaturas del aire más homogéneas, y menos variables en el
secador con cubierta negra, como era de esperar. Las figuras 2 y 3 muestran los niveles
de temperatura y radiación solar incidente, tanto directa como difusa correspondientes a
días claros elegidos.
Figura 2. Niveles de radiación solar I; temperatura
del aire interior Tf y el aire exterior Ta en 0C en el
secador solar con cubierta de polietileno negro
Figura 3. Niveles de radiación solar I;
temperatura del aire interior Tf y el aire
exterior Ta en 0C en el secador solar con
cubierta de polietileno transparente
En condiciones tropicales, estos productos requieren poca o prácticamente ninguna
preparación previa. En este secador, en su variante con cubierta negra, se secaron
diversas semillas como maíz, calabaza, soja, pepino, y tomate con cargas promedio del
producto de 3 a 6 Kg. /m2, y tiempos de secado de 1 a 2 días. Las curvas de
temperatura en otro secador metálico evaluado con geometría y forma idénticas fueron
muy similares a las obtenidas con la cubierta de polietileno negro. Esto indica la
posibilidad y conveniencia de sustituir los captadores metálicos por otros de polietileno,
por su bajo costo e iguales resultados.en el secado del producto.
La gran calidad de los productos secos obtenidos, en semillas de maíz, calabaza, soja,
tomate y pepino, se debe a que existe en estos equipos una autorregulación dada por
la combinación de la alta inercia térmica de la plataforma de secado, y del tiro que
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aumenta con el nivel de la radiación, estabilizando la temperatura en el interior del
equipo y su efecto en el secado del producto.
Potencial de extensión o generalización de los secadores solares en Cuba
Es alto, si el pequeño agricultor procesa sus semillas, y el escalado es por
multiplicación, dando un secador a cada productor. En caso de ser un esquema
centralizado en una gran empresa procesadora de semillas, como el actual, este no es
compatible con la concepción de este secador. Debe estudiarse la forma de introducirlo
junto con los esquemas actuales por su valor como solución principalmente en zonas de
defensa y otros territorios aislados.
Los diagramas del Valor Actual Neto son altamente ventajosos, sobre todo si se
comparan con los del secador convencional o “Calfriza”. Su tiempo de amortización
promedio es del orden de meses y tiene alta relación beneficio costo (Amer, 2010),
mientras que el secador convencional se amortiza en 5 años, quema petróleo, o
consume electricidad.
Los impactos energético y social de estos secadores pueden ser elevados, pues un
secador cuya eficiencia oscila del 2 al 20 % como ocurre con las variantes de este
secador de semillas, puede salvar de 0,1 a 1 Kwh. /m2 día de energía útil, y esta ahorra
la misma cantidad de electricidad al sustituir al secador convencional eléctrico.
Anualmente se ahorran 36,5 a 365 Kwh. /m2 de secador.
Si el secador llega a tener una eficiencia de 30 al 50%, como ocurre en algunos
secadores tipo nave, para unos 5 Kwh/m2dìa de energía solar global incidente en la
superficie horizontal, que es el promedio de radiación en Cuba, entonces se ahorran por
día entre 1,5 y 2,5 Kwh/m2 de energía eléctrica, lo que representa en un año unos 547,5
a 912,5 Kwh/m2 día. Una nave de solo 100 m2 ahorra una cantidad 100 veces superior.
Las emisiones evitadas son también elevadas al sustituir secadores de resistencia,
pues al sustituir la generación de energía eléctrica por un ciclo Rankine equivalente de
una eficiencia de un 2 a un 50 %, donde los índices de emisión de CO 2 se acercan a
0,99 Kg. CO2 /Kwh. generado, se ahorra la emisión por m2 anualmente de36,5 a 912,5
Kg. /año en cada metro cuadrado del secador.
Aquí no se incluye el impacto energético por sustitución de la refrigeración, que varía
según la aplicación concreta. La magnitud de estas cifras reales es elevada. Baste decir
que una simple nave de 100 m2 multiplica por 100 los índices anteriores. En todos los
casos, los tiempos de amortización son muy bajos, del orden de meses, para 20 años
de tiempo de vida útil con un mínimo de reparaciones eventuales. A ello contribuye el
alto valor agregado de los productos secos.
El secador es una fuente de trabajo socialmente útil para la población de pequeñas
comunidades rurales y una tecnología que puede ser incorporada al ámbito cultural de
éstas, diversificando su producción de alimentos y aumentando su calidad de vida. Los
productos de alto valor agregado y alta calidad que se secan en ellos, como semillas y
plantas medicinales, resuelven necesidades sociales inmediatas que afectan a la
población.
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CONCLUSIONES
Los costos de inversión energética de los secadores descritos y sus costos
unitarios muy bajos, del orden de los 5 cuc/m2, los sitúan en condiciones para su
introducción gradual en comunidades rurales y zonas tropicales.
Los índices de funcionamiento evaluados son adecuados para el secado de
numerosos productos agrícolas en cama fina, como frutas, vegetales y granos.
El impacto ambiental, energético, social y económico de estos secadores de muy
bajo costo puede ser considerable en dependencia del área del mismo. Se evitan
al sustituir secadores de resistencia 0.1 y 2.5 Kg/ m2dia de emisiones de CO2 y la
misma cantidad de Kwh. de energía que se ahorra. Esto unido a la gran calidad
del producto, permite obtener tiempos de amortización de la inversión de solo
algunos meses para tiempos de vida útil de 20 años.
El escalado de estos equipos es fácil de realizar, por lo que permiten aumentar
la capacidad por simple multiplicación de secadores, manteniendo condiciones
adecuadas para la agricultura sostenible.
La generalización de estos equipos, puede ayudar considerablemente a lograr
una agricultura sostenible así como la participación activa del usuario y su sentido
de pertenencia a esta actividad.
BIBLIOGRAFÍA
Amer, A. Hossain, M. A y Gottschalk, K. (2010). Design and performance evaluation of a
new hybrid solar dryer for banana Energy Conversion and Management, 51, 813–
820. N. Y.
Bellessiotis, V. y Delyannis, E. (2011). Solar Drying. Solar Energy. 85, 1665-1691.
Bergues, C., Ibáñez, G., Despaigne, H. (1992). Secador solar doméstico con materiales
de la construcción. Revista tecnología Química, 13(3), 84-93.
Bergues, C., Martínez, A. y Griñan, P. (2008). Algunos aspectos de los cambios
tecnológicos en secadores solares cubanos: Realidades y tendencias. Revista
Tecnología Química, 28(2), 35-45.
Bergues, C. Bèrriz, L. Griñan, P. (2010). Generalización de secadores solares directos
en Cuba. Análisis numérico de sus tendencias actuales. Revista Desarrollo Local
sostenible, 3(8), 30-40.
Berriz, L. (2009). Secadores solares. Revista Energía y tú, 30, 25-30.
Recibido: julio 2014. Aprobado: noviembre 2014
Revista Granma Ciencia. Vol. 19, no. 1 enero - abril 2015
ISSN 1027-975X
Brooker, D. [et al.]. (1992). Drying and Storage of Grains and Oilseed, Van nostrand
Reynolds, New York.
Corvalán, R., Horn, M., Romàn, R. y Saravia, L. (1992). La ingeniería del secado solar.
Editora Cyted –D-Programa de Ciencia yTecnología para el desarrollo, Santiago de
Chile.
Dissa, A. (2011). Experimental characterization andmodelling of thin layer direct solar
drying of Amelie and Brooks mangoes. Energy, 36, 2517-252.
Duffie, J. y Beckman, W. A. (1980). Solar Enginering of thermal processes, Wiley
interscience publication. John Wiley and sons inc.
Ferro, V. (2000). Análisis de opciones para el secado solar de Café. Parte 2. Aspectos
energéticos, de rendimiento y económicos. Revista Tecnología Química, 20(1), 52 a
57.
Ferro, V. (2000). Secado solar de café. Estudio de opciones, Memorias del IX Congreso
Ibérico de Energía Solar. II Jornada Técnica sobre Biomasa. Córdoba, España.
Fonseca, S. [et al.]. (2002). Estudio de la cinética del secado de granos en un secador
solar, análisis de los resultados. Revista Tecnología Química, 22(2), 59-64.
Sreekumar, A. (2010).Techno-economic analysis of a roof-integrated solar air heating
system for drying fruit and vegetables. Energy Conversion and Management,51,
2230-2238.
Torres Ten, A. [et al.]. (2008). Conceptos para el uso extendido del secado solar en la
conservación de productos agrícolas. Monografías de excelencia de la Universidad
de Oriente. Santiago de Cuba.
Recibido: julio 2014. Aprobado: noviembre 2014