Diseño de secadores solares - Colegio de Ingenieros Especialistas

Curso Internacional
FUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
Universidad de Córdoba
Colegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba
República Argentina
Octubre 13, 14 y 15 del 2009
Profesor Sergio D. Corp Linares
Grupo de Energías Renovables. CUBAENERGÍA
Delegación CUBASOLAR-Habana
[email protected]
537-209 6691 y 537-2062067
Secado solar
Contenidos:
Particularidades del secado con energía solar.
Los secadores solares
El acondicionamiento del aire para el secado
Influencias de la recirculación y la mezcla del
aire en el diseño del secador
Investigaciones y trabajos desarrollados en la
temática.
Demostrar que el secado utilizando la
energía solar es una aplicación
sostenible que permite deshidratar
productos agropecuarios e industriales
basado en el desarrollo de la
tecnología.
Introducción
Aspectos generales
Secado
Estufa Eléctrica
Secadores solares
Secadero
natural
Liofilizador
Proceso mediante el que se disminuye la humedad de un
producto, mediante la evaporación del agua contenida en el
mismo, sin alterar su composición química. Puede ser un
proceso natural o artificial
Una de las formas más eficientes y económicas del uso de la
energía solar lo constituye el secado
Aspectos generales
El hombre utilizó el secado natural de alimentos y
plantas en lugares soleados apenas descubrió esta
sencilla aplicación
Secado natural
El secado natural es método
empleado para deshidratar un
producto basado en el
aprovechamiento de la
radiación solar y el viento.
Consiste en aprovechar las
condiciones ambientales, estén
expuestos o no los productos
a la radiación directa del sol
Carbón mineral expuesto al
sol Nicaro . Cuba
Mejoras introducidas
al secado natural



Utilización del producto en rejillas separado del
suelo
Cubrirlo con mallas finas para evitar la
contaminación y el ataque de insectos
Utilizar plataformas duras y limpias y con cubiertas
móviles para proteger el producto
Secado artificial
El secado artificial se
utiliza para desecar un
producto de forma
controlada mediante el
empleo de equipos o
dispositivos
El secado por este
método se apoya con
fuentes adicionales de
energía renovables y no
renovables
Secador de plantas medicinales
Ciudad escolar Camilo Cienfuegos
Secado artificial
Ventajas
Secado
Artificial
Desventajas
Calidad del producto
superior .
Elevados costo de
instalación .
Velocidad de secado
mayor, menor tiempo
de secado y menor
costo .
Se eleva el costo
de producción si
consume
electricidad o
petróleo
adicionalmente
Condiciones sanitarias
superiores .
Menor área utilizada
en el secado.
Puede utilizar
automatización
Aplicación del
secado








Materiales de construcción
Minerales
Productos de la industria alimenticia
Forrajes
Especies, plantas aromáticas y medicinales
Frutas, Hortalizas
Viandas, arroz, café, cacao, semillas, tabaco
Derivados cárnicos, pescado
Estado deseado
El progreso científico
técnico en este tema
se ha dirigido hacia la
obtención de
productos secos de
mayor calidad,
aspecto que se ha
logrado con el uso de
instalaciones y la
automatización de los
procesos.
Contexto
Internacional


El secado solar es una
alternativa barata y
eficiente utilizada
fundamentalmente en
países de Latinoamérica
Se usa en zonas
soleadas,
fundamentalmente
rurales con desarrollos
locales medios y altos.
Secador de madera de 38 m3. Nicaragua
Contexto
Internacional

Se han desarrollado investigaciones
para el uso del aire caliente con
diferentes finalidades como el
tratamiento fitosanitarios empleando
los calentadores de aire con energía
solar.
Calentadores solares de
aire
Contexto
Internacional



El tema tiene vinculación directa con prestigiosas
organizaciones como la FAO ONUDI y OLADE
Red iberoamericana de secado.
Con la colaboración del Instituto de Investigación en
Energía no convencional INENCO y el Programa
iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el
desarrollo CYTED se realizan reuniones y seminarios
Contexto
Internacional


No existen producciones significativas de
secadores comerciales
Países de Europa como Alemania y Portugal
construyen y secadores solares de bajo costo
para aplicaciones rurales
Primer contenido
Particularidades del secado
con energía solar
Los secadores solares
Particularidades del secado con
energía solar


En los secadores solares la fuente
de energía es la radiación solar y
la sustancia de trabajo es el aire .
El secado solar es una aplicación
factible y demostrada ya que la
temperatura de secado de
muchos de los productos
alimenticios, plantas, especies y
otros productos útiles para el
hombre se alcanzan a partir del sol
¿Porque se reduce la
humedad de un producto?


Para su conservación
durante períodos
prolongados, hasta un
valor de humedad del
producto que se
considera seguro su
almacenamiento.
Para disminuir la
actividad respiratoria de
los productos y por
tanto se dificulta el
ataque de insectos y
hongos
¿Porque se reduce la
humedad de un producto?
Mejora la germinación de
los productos agrícolas
antes de sembrarlos y
disminuye la contaminación
del producto en el campo
Secado de maní
Particularidades del secado con
energía solar
Aunque se reduzca la humedad
del producto:


Se deben mantener sus
propiedades
El olor, el color y el sabor
Mango finalizando el
proceso de secado
Diseño de secadores solares
Hoy en día una gran cantidad de
los secadores utilizados en
asentamientos poblacionales
responden a productos
alimentarios y medicinales
Para simplificar su construcción
emplean un principio de
operación discontinuo,
eliminando de esta manera las
complejidades de la
mecanización.
Secador del Jardín Botánico
Diseño de secadores solares
Con algunas excepciones, no
almacenan energía dado lo
costoso de los sistemas
eficaces de acumulación de
calor
A veces se emplean bancos de
resistencias eléctricas para
asegurar la calidad del proceso
productivo.
Secador de polen
Clasificación de secadores
1. Secadores solares directos
2. Secadores solares indirectos
Desde el punto de vista constructivo, estos equipos
tienen una gran similitud ya que todos cuentan con
una cámara de secado que generalmente es
rectangular, donde uno de sus ejes se sitúa en la
dirección norte sur, buscando mayor penetración de
la radiación solar sobre una superficie absorbedora
Métodos generales de diseño
de secadores solares
Determinación del área del plato absorbedor
y el volumen del secador
Simulación
de secadores
Investigación del
proceso de secado
Modelos de predicción
Experiencias en la
evaluación
Datos iniciales para el diseño
de secadores solares
Los datos necesarios para diseñar un secador.
Características del producto a secar
La temperatura de secado y
La humedad inicial y final del material
Tiempo de secado
Información sobre la procedencia de los
parámetros anteriores (estufas eléctricas u otro tipo
de secador)
Conocimientos del proceso de secado de cada
producto
Diseño de secadores solares
Teniendo en cuenta que:
El diseño de un secador solar depende de factores
como, la radiación solar, la composición del
producto a secar la humedad a extraer, las
propiedades del aire y el tiempo de secado.
Diseño de secadores solares
Se propuso un modelo matemático basado en :
•
Vcámara
V
=
CA
CA es el coeficiente de cambio de aire y se define
como las veces que una cantidad equivalente al
volumen del secador debe pasar a través del
producto. Las unidades de dicho coeficiente es
1/día solar
Modelo matemático para la
determinación del volumen del secador
Límite superior del coeficiente de cambios de aire
En función del aprovechamiento
del volumen del secador
•
V
1
CA ≤
día


AP
tan 30  AP cos 30
 hMIN + 1 2
n


Límite inferior del coeficiente de cambios de aire
En función de las dimensiones del plato absorbedor
•
2V AP cos 30  n + 1  (1 − e ) qU qk
n

CA ≥
qU PU − (1 − e ) qU PU
1
día
Metodología de cálculo








Cantidad de agua a extraer del producto
Seleccionar el tipo de secador
Determinar las propiedades psicrométricas del aire
Determinar el flujo volumétrico de aire
Determinar el área del plato absorbedor
Determinar la potencia calorífica útil y específica
Determinar todas las dimensiones del secador
Cálculo comprobatorio
Determinación del agua a
extraer en el producto
 Wi − W f
CW = mP 
 100 − W
f

mP
 kgagua

día

Cantidad de producto a
secar
Seleccionar el tipo de secador
Se debe tener en cuenta las características del producto a
secar y la comodidad de los operarios durante la
operación del equipo.
Determinación de las propiedades
psicrométricas del aire
Las propiedades del aire se pueden determinar

Haciendo uso de las ecuaciones

Empleando los diagramas psicrométricos
El sistema de ecuaciones así como los diagramas
psicrométricos son tratados en los libros de la
disciplina Termodinámica Técnica.
Determinación de las propiedades
psicrométricas del aire húmedo
h = CP tBS + ( 2501 + 1,86tBS ) ω
pV
ω =0,622
1 − pV
pV
ϕ=
pS
La carta psicrométrica
Representación de las propiedades de las mezclas
de aire y vapor de agua a una presión determinada
en nuestro caso para la presión atmosférica
Análisis del proceso de secado
en la carta psicrométrica
21,5
C
A
15,3
B
11,7
1
16
21
26
46
5,3
Análisis comparativos de los
tres procesos de secado
Calor KJ/kg as
1-A
Proceso
1-B
1-C
Sensible
-25,00
-30,40
-20,20
Latente
25,00
16,02
39,68
Total
0,00
-14,38
19,48
1- A Como resultado del proceso isoentálpico el aire se
enfría de forma adiabática y esto solo es posible cuando
el aire se pone en contacto con agua. Este proceso
aunque difícil de lograr se da en la práctica, bajo
condiciones de muy buen aislamiento de la cámara de
secado
Análisis comparativos de los
tres procesos de secado
Calor KJ/kg as
1-A
Proceso
1-B
1-C
Sensible
-25,00
-30,40
-20,20
Latente
25,00
16,02
39,68
Total
0,00
-14,38
19,48
1-B Los procesos con pendientes inferiores al
isoentálpico representan los procesos reales de
secado.
Análisis comparativos de los
tres procesos de secado
Calor KJ/kg as
1-A
Proceso
1-B
1-C
Sensible
-25,00
-30,40
-20,20
Latente
25,00
16,02
39,68
Total
0,00
-14,38
19,48
1-C Sólo puede darse en la práctica si se calienta
previamente el producto a secar, de forma tal que
se logre el intercambio de calor y masa resultando
que el enfriamiento del aire es menor por causa del
calor que suministra el producto.
Determinar el flujo volumétrico de aire
y la potencia útil del secador
 CW  kgas
mas = 

S
 ω −ω 
e 
 f

 3
CW
 m as
V =
día
 ρ ( ω f − ωe ) 



=
PUtil mC p ( t f − te )
kW
Potencia calorífica útil específica
qutil = H Tτ α − ( qRAD + qCON )
kW
m
2
Área del plato absorbedor
PU
AP =
qU
m
2
Calcular todas las dimensiones
del secador
Una vez seleccionado el
tipo de secador se deben
determinar todas sus
dimensiones utilizando
las relaciones
trigonométricas
Secador multipropósito del Wajay
Método gráfico para el
diseño de secadores solares


Frente a metodologías rigurosas y a la vez
complejas asistidas por computadoras para
diseñar secadores solares
La simplicidad de los métodos gráficos le
proporciona dinamismo facilidad y carácter práctico
Nomograma para secadores solares
Segundo contenido
El acondicionamiento del aire para
el secado
El acondicionamiento del
aire para el secado



El aire es la sustancia de trabajo que provoca la
evaporación del agua y antes de ser utilizado en el proceso
de secado debe acondicionarse. Esto significa que:
El contenido de humedad y la humedad relativa del aire
previo al secado deben tener valores relativamente bajos
El aire después del proceso de calentamiento en el secador
debe alcanzar la temperatura de secado del producto
La carta psicrométrica
ω1
ω2
La carta psicrométrica
ω1
ω2
Tercer contenido
Influencias de la recirculación y la
mezcla del aire en el diseño del
secador
La recirculación y la mezcla del
aire en el secador
Si la humedad del aire en un secador solar es excesiva se
puede prolongar el período de secado afectando la calidad del
producto, por eso debe lograrse que el propio secador controle
la temperatura, la humedad del aire y de esta manera en
principio podemos evitarnos el uso de controladores
automatizados que son costosos
La recirculación y la mezcla del
aire en el secador
El control térmico operacional en un secador solar
se puede lograr.
• Cuando se recircula el aire
• Cuando se mezcla el aire frio que entra al
secador con el aire caliente y húmedo que lo
abandona
La recirculación y la mezcla del
aire en el secador
El análisis del proceso psicrométrico del aire durante
el secado ha sido bien caracterizado en los
secadores industriales, de manera que debe ser
tratado con igual profundidad en los secadores
solares.
Representación gráfica de ambos
procesos
Cuarto contenido
Investigaciones y trabajos desarrollados
en la temática.
Prototipo experimental de
secador solar indirecto
Particularidades
Volumen
1,21m3
Temperatura
del aire 65ºC
Área del plato
absorbedor:
1,7 m2
Secador Solar para cristalería
Prototipo experimental de
calentador solar
Particularidades
Área: 2 m2
Flujo de aire:
100 m3 / hora
Temperatura del aire:
60-80 0C
Instalación experimental de
secadores solares
Estudio del secado del carbón
mineral
Proyecto Guaní
Secador de Túnel de procedencia alemana
Experiencias de Cubasolar con la
participación de otras instituciones
Diseños de secadores solares construidos y
experimentados en Cuba desde el año 1970
Modelo experimental de
secador tipo invernadero
Secado de frutabomba
Secador Solar del CIES
Secador solar de madera de Las Mil
Cumbres en Pinar del Río
Secador solar de la Ciudad
Escolar “Camilo Cienfuegos”
Secador solar del Jardín
Botánico
Secador de tambor rotatorio
Conclusiones


En la actualidad considerando el nivel alcanzado en el
Secado Solar, su importancia y aplicación deben llevarse
a cabo acciones de formación de capital humano que
permitan contar con especialistas que continúen las
investigaciones y el desarrollo del tema.
La madera, las plantas aromáticas y medicinales, productos
agrícolas para preparación de piensos, las frutas y los
pescados, están entre los productos que más se han
solicitado para el secado.
Conclusiones



La automatización de los procesos en el secador aun
requiere de esfuerzos e investigaciones.
La determinación de la tecnología de secado de diferentes
productos en los secadores solares puede considerarse un
aspecto insuficiente
Actualmente existen demandas de diferentes países, para
comprar secadores solares cubanos.
Conclusiones
Muchos secadores cubanos han sido diseñados y
construidos sin la profesionalidad adecuada y con
incumplimiento de las normas de calidad dando
espacio para los detractores de la tecnología.
No obstante en estos momentos basado en las
experiencias de estos 30 años, en Cuba se están
construyendo secadores solares de alta calidad,
tanto por su diseño como por los materiales y
componentes utilizados.
Visítennos en: www.cubaenergia.cu