APLICACIÓN DE INDICADORES DE SECADO SOLAR. Altobelli

Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
11-008
APLICACIÓN DE INDICADORES DE SECADO SOLAR.
Altobelli F.N.(1) , Martínez C.(2) y Condorí M.(3)
(1) Grupo de Investigación y Desarrollo para la Agroindustria (GIDAI), Instituto de Investigación en
Energías no Convencionales (INENCO), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
(CONICET) Av. Bolivia 5150, CP4400, Salta, Argentina, [email protected]
(2) Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Nacional de Salta, Av. Bolivia 5150, CP4400, Salta,
Argentina, [email protected]
(3) Grupo de Investigación y Desarrollo para la Agroindustria (GIDAI), Instituto de Investigación en
Energías no Convencionales (INENCO), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
(CONICET) Av. Bolivia 5150, CP4400, Salta, Argentina, [email protected]
RESUMEN
En los últimos tiempos, la crisis de agotamiento de las fuentes tradicionales de energía, unida a los
graves problemas de contaminación que su empleo desmedido viene produciendo, ha llevado a la
necesidad de buscar alternativas renovables para abastecer a una demanda energética creciente. En
este marco, las aplicaciones de aprovechamiento de energía solar se encuentran en un proceso de
desarrollo promisorio generando la necesidad de dirigir las acciones hacia un adecuado y sustentable
aprovechamiento de esta fuente energética. Dentro de las numerosas aplicaciones de la energía solar,
el secado solar comprende una de las formas de gran difusión en el noroeste argentino. Este trabajo
presenta la aplicación y comparación de indicadores de secado solar que incluyen en sus cálculos
variables meteorológicas como la radiación solar y el déficit de saturación del aire ambiente. Por un
lado se aplica el índice “capacidad evaporativa” y por el otro, los denominados “potencial e índice de
secado solar”. El primer indicador, se encuentra referido a la evaluación de desempeño de un colector
solar de aire conectado a una cámara de secado incluyendo el análisis de la actividad del producto,
mientras que los segundos se relacionan con la evaluación de potencialidad de un sitio con respecto al
secado solar, a partir del análisis de variables climáticas. Ambos índices fueron aplicados y medidos
para la localidad de San Carlos, en la provincia de Salta para un secador solar de 40 kg de carga.
Posteriormente se efectuó la comparación de los resultados obtenidos, evaluando la utilidad y sencillez
de aplicación de los mismos como herramientas de decisión y diseño.
Palabras Claves: Secado Solar, Indicadores.
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años, el desarrollo de las
aplicaciones de aprovechamiento de energías
alternativas, como una solución a la crisis de
agotamiento de los combustibles fósiles, ha
despertado el interés en los análisis de formas de
aprovechamiento eficiente y adecuado de estas
nuevas fuentes energéticas. El noroeste de la
República Argentina se caracteriza por las
bondades climáticas para el aprovechamiento de
energía solar (altos valores de irradiación solar
diaria, alta heliofanía). Eso ha motivado el
desarrollo de sistemas de secado de productos
agrícolas mediante energía solar térmica.
Son numerosos los ejemplos de sistemas de
transferencia de este tipo de tecnología cuyo
funcionamiento ha permitido una disminución en
el consumo de fuentes convencionales (gas, leña)
y una mejora en la calidad final de los productos
([3], [6]).
El secado es un proceso complejo donde
interactúan las variables características del
producto a secar, el secador y los mecanismos de
transferencias de calor y masa. Es precisamente
el recurso energético el que propicia los
mecanismos de transferencia, y son las
características del secador y del producto las que
determinan la eficiencia con la que se utiliza
dicho recurso energético.
Existe numerosa bibliografía referida a la
evaluación del desempeño de colectores solares
de aire, sin embargo, son escasos los trabajos
referidos a la evaluación de colectores asociados
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a sistemas de secado o a la evaluación de las
variables ambientales que inciden en el proceso
de deshidratado. Jannot [7] realiza un primer
abordaje sobre el tema, al desarrollar el concepto
de “capacidad evaporativa”, entendiendo que en
el análisis de un sistema de secado solar deben
incorporarse otro tipo de variables de peso como
la humedad del sitio de emplazamiento del
sistema ([7], [8]). Luego Condorí [3] define un
modelo físico para evaluar la aptitud para el
secado solar de un sitio determinado a partir del
análisis de las variables temperatura, humedad y
radiación solar, denominándolo “Potencial de
Secado” e “Índice de Secado”.
En este trabajo se presentan los resultados
obtenidos al aplicar los indicadores de
desempeño de secado solar e índices de secado
solar para un secador de 40 kg de carga, ubicado
en la localidad de San Carlos, provincia de Salta.
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potencial de secado de una región utilizando un
modelo de evaporación de agua libre en un
secador solar ideal. Se definen entonces dos tipos
de potenciales: uno referido a la energía solar
disponible y otro correspondiente al déficit de
saturación del aire, de la combinación de ambos,
surge el potencial total de secado solar de una
región. Luego estos valores fueron mapeados
para la región NOA de la República Argentina
[1] [2].
Los potenciales están expresados en unidades de
potencia, por lo que el potencial de secado por
radiación está referido a un área de 1 m2 y el
potencial debido al déficit de saturación a un
flujo másico ( ) de 0,1 Kg s-1. El índice de
secado Z es un indicativo del porcentual del
potencial de secado que tiene el aire frente al
total. Es conveniente aclarar que se trabajó con
un valor de calor latente de evaporación (qe) de
2380000 Jkg-1 [2] [3].
2. DESARROLLO TEÓRICO
Potenciales:
2.1. La capacidad evaporativa
Generalmente cuando se habla de la eficiencia de
secaderos solares, se define a la misma en
términos de temperatura. Entendiéndose como la
eficiencia térmica del colector solar asociado al
secadero. Sin embargo, este indicador no es
suficiente para analizar el desempeño global del
sistema de deshidratado [7]. Uno de los
parámetros que tiene en cuenta las características
del producto a secar y las condiciones
atmosféricas es la “capacidad evaporativa”, que
se define como:
E = m&as (ω 2 e − ω1 )
(1)
E es expresado en kg/s, para un as (flujo de aire
seco) determinado, y bajo ciertas condiciones de
humedad absoluta (kg de agua/kg de aire seco)
del aire de ingreso al secadero (ω2e) y del aire de
salida (ω1). Se parte del supuesto de que en el
interior del secadero se alcanza un equilibrio
entre el aire y el producto. Valores de capacidad
evaporativa superiores a cero indican la
posibilidad de continuar extrayendo agua del
producto [7], [8].
2.2. El Potencial de secado
En trabajos anteriores [4] [5] es introducido el
concepto de “potencial de secado para” describir
la operación de secadores solares simples y de
tipo túnel. Estos conceptos fueron luego
extendidos por Condorí [2], para determinar el
Qi = 1× Rad / Ldia
(2)
Qw = m&× qe × Ds
(3)
QT = Qi + Qw
(4)
Índice:
Z=
Qw
Qw
=
(Qi + Qw) QT
(5)
Ldia: Longitud del día (segundos)
Rad: Radiación diaria
qe: Calor latente de evaporación
Ds: Déficit de saturación
Qi: Potencial de secado radiativo
Qw: Potencial de secado del aire
QT: Potencial de secado total
Z: Índice de secado
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
Experimentalmente se trabajó con un secadero
solar de 40kg de carga. El mismo fue instalado
en la localidad de San Carlos, provincia de Salta.
Este sitio es también el emplazamiento de dos
emprendimientos de secado solar de pimiento
para pimentón de escala industrial [6].
Empleando información meteorológica del sitio
de estudio, fueron obtenidos analíticamente el
Potencial e Índice de Secado. A continuación
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estos datos fueron obtenidos experimentalmente
mediante el llenado del secadero con bandejas de
agua (simulando el modelo físico). Por último se
aplicó la “capacidad evaporativa” para este
secadero, dadas las condiciones atmosféricas
imperantes en la zona.
Figura 1. Secadero solar bajo estudio, vista de
los colectores de techo y pared integrados a la
cámara.
Fueron instalados, para esto, sensores
meteorológicos en inmediaciones del secadero
bajo estudio. Los sensores instalados incluyen
termocuplas tipo K para el registro de
temperatura ambiente, sensores de radiación
solar, sensores de registro de humedad relativa,
anemómetros y cazoletas de viento (Figura 2).
Los mismos fueron configurados para un
intervalo de registro de un minuto, buscando
cubrir la totalidad de la variación diaria en las
medidas. El período de medición fue de febrero
del año 2009 a marzo de 2010[2].
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procedió a promediar aquellos referidos a
temperatura y humedad relativa para el período
diario y posteriormente para el mes. Con
respecto a los valores de radiación, estos fueron
registrados en W/m2, y se efectuó por tanto su
transformación a valores de MJ, multiplicando
cada dato por 60 segundos (en referencia a la
equivalencia J/s=W) y culminando con la suma
de todos los valores positivos de radiación para
el día. Finalmente el valor mensual fue obtenido
mediante el promedio de los valores diarios
(media diaria mensual) [1] [2].
Por otro lado, se realizó una experiencia a campo
con el secadero. La misma consistió en la carga
del mismo con bandejas plásticas llenas con
agua, y el registro de la pérdida de peso de una
de ellas. En total se cargaron 30 bandejas con 0.4
kg de agua cada una. Dicho secadero posee dos
colectores solares planos integrados a la
estructura, uno constituyendo la pared posterior
de la cámara de secado (de orientación vertical) y
otro ubicado en el techo (con una leve
pendiente). Las bandejas empleadas son de
plástico reforzado, aptas para soportar altas
temperaturas. El flujo que circula por los
colectores es forzado por ventiladores axiales de
15cm de diámetro. El objetivo de esta
experiencia consistía en lograr aproximar las
condiciones de funcionamiento al modelo físico
del Potencial de Secado, y aplicar luego el
indicador “Capacidad Evaporativa”.
Figura 3. Experiencia de carga del secadero con
bandejas plásticas con agua.
4. RESULTADOS
Figura 2. Instalación de sensores para el registro
de variables meteorológicas.
Una vez que se tuvieron los datos
correspondientes a intervalos de un minuto, se
Como puede verse en la Tabla 1, los mayores
valores de potencial (QT) se hallan reunidos en
los meses de agosto, octubre y noviembre,
seguidos por enero y febrero. Para el caso de los
dos primeros se conjugan ciertas condiciones
atmosféricas de elevadas temperatura y baja
humedad relativa (propias de la estación
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ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEP
OCT
NOV
DIC
Qw
663.18
552.37
479.06
434.87
497.21
528.21
694.29
1299.25
597.73
740.48
734.88
135.19
Qi
603.76
622.30
563.38
522.87
473.80
429.16
457.73
497.17
587.21
616.35
601.71
603.70
QT
1266.93
1174.67
1042.44
957.74
971.01
957.37
1152.02
1796.42
1184.94
1356.83
1336.58
738.89
Kilos
10.29
9.14
7.67
6.60
6.31
6.03
7.36
12.08
8.50
10.37
10.74
6.07
Índice
0.52
0.47
0.46
0.45
0.51
0.55
0.60
0.72
0.50
0.55
0.55
0.18
Tabla 1. Potenciales calculados para la localidad
de San Carlos.
De la experiencia de campo realizada con el
secadero solar de 40kg de carga, fue elegido un
día como representativo y dentro de éste las
medidas próximas al mediodía solar.
410
400
390
380
370
360
350
340
12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:31 15:01 15:31 16:01 16:32 17:02 17:32 18:02 18:33 19:03
Hora
Figura 4. Pérdida de peso de la bandeja de agua
del secadero, con respecto al tiempo.
Por otro lado, con los datos ambientales y de
variables térmicas del interior del secadero,
correspondientes a la fecha de la experiencia a
campo, fue aplicado el indicador de “capacidad
evaporativa”. Comparando los valores medidos
con aquellos obtenidos analíticamente, puede
verse su gran proximidad (Tabla 2). Este hecho
destaca la poca aplicación de este último
indicador como medida de eficiencia de trabajo
de secaderos solares. Si bien se requiere luego
comparar los valores de capacidad evaporativa
con la actividad acuosa de los productos a secar,
para definir la posibilidad del secadero de llevar
a cabo la deshidratación.
Potenciales medidos
ENE
1800.00
NOV
1600.00
1400.00
1200.00
1000.00
FEB
MAR
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
OCT
ABR
SEP
MAY
AGO
JUN
JUL
Qw
Qi
QT
Figura 3. Distribución anual de los valores
mensuales de potenciales de secado
Capacidad
evaporativa
mw
Hora
De esta manera, y en base a las mediciones
realizadas para el año bajo estudio, puede decirse
que agosto es el mes en que las condiciones de
San Carlos son óptimas para el aprovechamiento
de la energía solar con fines de secado.
DIC
y = -256.72x + 544.82
2
R = 0.9779
420
Peso (gr)
primaveral), mientras que durante la estación
estival los altos valores térmicos superan las
precipitaciones y nubosidad de diciembre para
volver a enero y febrero en meses propicios para
el secado solar. Resultado similar sigue el
análisis de los kilos de agua que sería posible
evaporar a partir de una superficie libre de agua,
sometida a las condiciones ambientes imperantes
en el área. Por su parte, el Índice de secado
demuestra mayores valores porcentuales para los
meses de agosto y julio (0.72 y 0.6
respectivamente). En lo que respecta a los
potenciales Qi y Qw, un análisis individual de
los mismos demuestra la escasa variabilidad
anual que presenta Qi (y por consiguiente el
recurso solar), en relación a la gran amplitud que
posee Qw (influenciado por la estacionalidad de
las precipitaciones del lugar) (Figura 3).
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12:30
1.89E-06
1.87E-06
13:00
14:30
15:00
15:30
16:30
17:00
17:30
2.07E-06
4E-06
3E-06
2.53E-06
4E-06
3.5E-06
6.5E-06
2.06E-06
3.96E-06
2.97E-06
2.50E-06
3.95E-06
3.46E-06
6.43E-06
Tabla 2. Resultado de velocidad de evaporación
de agua (mw kg/s) medida y capacidad
evaporativa (kg/s) calculada.
Aplicando los potenciales e índice de secado
para el día seleccionado para la experiencia se
obtuvieron los siguientes valores:
Qw
Qi
QT
Kilos
Índice
513.65
391.06
904.71
18.37
0.57
Tabla 3. Resultado de potenciales de secado
calculados con información meteorológica del
sitio de estudio.
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Los kilos potenciales de agua a ser evaporada
están referidos a un secadero de eficiencia 100%,
dado que se midió una evaporación total en el
secadero igual a 2.4 kgs entre las 30 bandejas;
puede definirse a la eficiencia del secadero del
orden de 13%.
5. CONCLUSIONES
A partir del presente trabajo puede concluirse
que no todos los indicadores propuestos son
igualmente utilizables para efectuar análisis de
eficiencia de secaderos solares. La “capacidad
evaporativa” es en si un indicador de tipo
relativo que requiere ser comparado con la
actividad acuosa del producto a deshidratar [8];
no ha sido puesto bajo análisis la validez que
tiene el mismo en cuestiones de diseño de
secaderos, principalmente para la elección de
valores de flujo óptimos.
Por otro lado, la eficiencia calculada para el
secadero bajo estudio se considera baja (13%),
entendiendo que esto puede deberse al bajo nivel
de flujo de aire que circula por el secadero. Se
destaca el valor que poseen tanto el Potencial de
Secado como el Índice de Secado Solar, para
evaluar sitios susceptibles de ser aprovechados
con fines de obtención de energía solar térmica
para secar. Para el caso bajo estudio la validez de
los mismos se verifica en la correspondencia
existente entre los valores obtenidos por trabajos
anteriores [1] [2] y la existencia en la localidad
de San Carlos de secaderos solares de escala
industrial [6].
También puede ser comprobada la gran utilidad
de estos potenciales como herramientas para la
toma de decisión, quedando por efectuarse
análisis de mayor profundidad con respecto a la
capacidad evaporativa del secadero para distintos
valores de flujo.
En momentos trascendentales para la búsqueda
de alternativas para el aprovisionamiento
energético, la explotación energías limpias debe
ser adecuadamente planificada de manera de que
constituyan una alternativa real y económica de
abastecimiento.
4. REFERENCIAS
[1] Altobelli F., Condorí M. 2009. “Avances en
la aplicación de modelos para calcular
potenciales e índices de secado solar.
mapeo regional”. Avances en Energías
Renovables y Medio Ambiente 13, p 11.4911.56.
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[2] Altobelli F., Condorí M., Díaz Russo G,
Durán G. 2010 “El potencial de secado
solar. Aplicación en Salta, Argentina”. IV
Conferencia Latino Americana de Energía
Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio
Peruano de Energía Solar (XVII- SPES),
Cusco, 1 -5.11.2010.
[3] Condorí M. 2009. “Determinación del
potencial de secado de una región”.
Avances en Energías Renovables y Medio
Ambiente 13, p 11.57-11.64.
[4] Condorí M., L. Saravia. 1998. “The
Performance of Forced Convection
Greenhouse Driers”. Renewable Energy,
Vol. 13, Nº4, pp.453-469, Elsevier Science,
Great Britain.
[5] Condorí M., L. Saravia. 2003. “Analytical
Model for the Performance of the Tunneltype Greenhouse Drier”. Renewable
Energy, vol.28, nro. 3, pp 467-485, Elsevier
Science, Great Britain.
[6] Durán G., Condorí M., Díaz Russo G. 2010
“Secador solar híbrido para producción
continua a escala industrial de pimentón”.
IV Conferencia Latino Americana de
Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII
Simposio Peruano de Energía Solar (XVIISPES), Cusco, 1 -5.11.2010.
[7] Jannot Y., Coulibaly Y. 1998. “The
evaporative capacity as a performance
index for a solar-drier air-heater”. Solar
Energy. V. 63, No 6, 38 – 391.
[8] Pontin M., Morsetto J., Lema A., Ruetsch
L. 2009. “La “capacidad evaporativa”
utilizada
como
un
índice
de
comportamiento de un sistema de secado
integrado por un ventilador, colector solar y
cabina de secado”. Avances en Energías
Renovables y Medio Ambiente 13, p 02.4302.50.