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