CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE...

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE

CALENTAMIENTO DE AIRE POR MEDIO DE ENERGÍA

SOLAR CON ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECÁNICO

POR:

ANTONIO EZEQUIEL OLIVARES CLAVEL

GUILLERMO ANTONIO TORRES FLORES

OCTUBRE 2010

ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C. A.

RECTOR

JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.

SECRETARIO GENERAL

RENÉ ALBERTO ZELAYA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

ISMAEL ANTONIO SÁNCHEZ

LECTOR

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

i

RESUMEN EJECUTIVO

Los sistemas de calentamiento por medio de energía solar han sido utilizados desde hace muchos

años de una manera artesanal, pero ahora gracias al desarrollo de la tecnología de los colectores

solares y el gran auge que está teniendo la implementación de las energías renovables, se está

comenzando a implementar sistemas de calentamiento de aire por medio de energía solar mucho

más sofisticados y eficientes; Esto hace muy interesante el poder conocer y evaluar cómo es el

comportamiento de estos sistemas.

Son pocos los estudios realizados sobre la utilización de la energía solar en el proceso de

calentamiento de aire en nuestro país, es por ello que el presente trabajo se ha realizado con el

objetivo de caracterizar una planta de deshidratación de frutas, a través de aire caliente por medio

de energía solar, ubicada en la finca “Don Chimino” en Guazapa, El Salvador.

Generalmente, este tipo de sistemas se construye bajo términos empíricos, con muy buenas

aproximaciones, sin embargo no se tiene el respaldo de mediciones que comprueben el

funcionamiento exacto de las plantas de deshidratación.

La deshidratación de frutas, es un proceso simple en el que únicamente se retira el porcentaje de

agua de la fruta y de esta manera se le permite prolongar su vida, conservando sus propiedades

nutritivas. La ventaja de este proceso es que no se altera químicamente el producto para

preservarlo.

Hay muchas formas de calentar aire para lograr el deshidratado de frutas, la que comúnmente se

utiliza es la del calentamiento directo o indirecto del aire a través de los combustibles fósiles o

energía eléctrica. Pero las dos formas citadas anteriormente tienen en común el de depender de

fuentes de energía agotables y contaminantes. La energía solar, por su parte, se plantea como una

energía limpia e inagotable, sin embargo, aún con el uso de este tipo de energía hay métodos

rudimentarios de deshidratación (secado directo al sol) en donde no se garantiza la calidad del

producto que se deshidrata ni el aprovechamiento de la energía solar.

Un uso óptimo de la energía solar, para el calentamiento de aire, es el que se lleva a cabo a través

de las plantas de deshidratación; en donde hay un conjunto de elementos cuyo fin es el de

aprovechar al máximo la energía solar térmica. Los elementos que constituyen las plantas de

deshidratación son:

ii

Colectores solares

Ductos para el transporte de aire

Almacenamiento de energía

Cámaras de deshidratado.

Cada uno de los elementos citados tiene una función específica dentro del proceso de

deshidratado.

Los colectores solares, son las máquinas encargadas de transformar la energía solar en energía

térmica, la cual es trasmitida a una masa de fluido; en nuestro caso al aire. En la planta de estudio

se cuenta con un total de 60 m² de área cubierta por colectores solares, a estos colectores se les

ha determinado a través de un prototipo la eficiencia con que transforman la energía.

Los ductos son los elementos que interconectan los dispositivos que componen la planta, se

encuentran recubiertos de material aislante. En estos ductos, se han medido algunas propiedades

del aire para determinar la capacidad del sistema en la conducción del fluido de trabajo. Se generó

una metodología para llevar a cabo tales mediciones con el equipo que se tenía disponible.

El sistema de almacenamiento de energía, juega un papel importante en el sistema de

deshidratación evaluado, ya que permite la opción de continuar las actividades de la planta aun

cuando ya no haya radiación solar. Aunque el método utilizado para el almacenamiento de energía

no permite el funcionamiento de la planta por un largo tiempo, si proporciona condiciones para

extender por lo menos seis horas de funcionamiento extra, bajo ciertas condiciones climáticas, sin

la necesidad de radiación solar.

El sistema de almacenamiento de energía utilizado consiste prácticamente en elevar la

temperatura de una cantidad de rocas contenidas en un espacio, cámara de piedras, a través de

aire caliente, para posteriormente extraer la energía almacenada invirtiendo el sentido de

circulación de la masa de aire. Una de las ventajas del sistema de almacenamiento de energía es

que no necesita de elementos mecánicos o eléctricos para su funcionamiento.

La construcción de este tipo de almacenadores de energía, se realiza bajo parámetros empíricos,

como lo son: la elección del tipo de roca, su tamaño y ubicación dentro del posito que las contiene.

En el trabajo que se ha desarrollado, se comprueba la capacidad del almacén de energía así como

la distribución homogénea del aire caliente proveniente de los colectores cuando pasa a través del

almacén cediendo su energía térmica a las piedras.

iii

Para lograr analizar el comportamiento del almacén de energía se utilizaron termopares y

dispositivos electrónicos de almacenamiento de datos de tal manera que mantuvieran un monitoreo

por un cierto periodo de tiempo de las condiciones internas del almacén. Debido a que la planta no

fue diseñada para fines didácticos se tuvo que desinstalar partes de la planta de deshidratación

para poder tener acceso a los sitios donde se deseaba medir alguna condición del fluido de trabajo.

Aunque los resultados obtenidos, del almacén de energía, han sido satisfactorios, dicho no

almacén no proporciona la capacidad suficiente de energía para productos que demanden de un

periodo relativamente largo de deshidratación. De acuerdo a los resultados no es que el almacén

no funcione bien, sino por las condiciones climáticas de la zona que propician humedades relativas

del aire considerablemente altas. Es por ello que debe de reconocerse que el sistema instalado

necesita de otros elementos que eleven la temperatura del aire a su ingreso al almacén de energía,

para que disminuya un poco la humedad relativa del aire.

Para continuar con el uso de energías limpias, y dar el calentamiento previo al aire antes de

ingresar al almacén de energía cuando ya no haya suficiente radiación solar; puede hacerse uso

de la biomasa generada por la misma plantación de frutas en la “Finca Don Chimino”.

Las cámaras de deshidratado, son prácticamente cajas herméticas en donde se ubica el producto

que se deshidrata en pequeñas rebanadas. Adentro de estas cámaras se inyecta el aire caliente

proveniente de los colectores solares o del almacén de energía para que retire la el agua de los

productos que se deshidratan. Cada cámara de deshidratado cuenta con ventiladores que

promueven la turbulencia necesaria al aire caliente para acelerar el proceso del retiro de la

humedad del producto.

En el trabajo además se ha generado un análisis teórico aproximado del funcionamiento del

almacén de energía, colectores solares y de las condiciones del aire a su ingreso a las cámaras de

deshidratado. Estos análisis se han comparado con las mediciones reales para verificar la

aproximación alcanzada. Los resultados obtenidos han sido satisfactorios, por lo que los estudios

aquí presentados pueden tomarse como una referencia para futuras construcciones de

deshidratadores en nuestro país.

ÍNDICE

RESUMEN EJECUTIVO ....................................................................................................................... i

ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... ix

ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................... xi

SIGLAS……… .................................................................................................................................... xv

ABREVIATURAS. ............................................................................................................................. xvii

SIMBOLOGÍA. ................................................................................................................................... xix

PRÓLOGO….. ................................................................................................................................... xxi

CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS...................................................................................... 1

1.1. LAS ENERGÍAS RENOVABLES .............................................................................................. 1

1.1.1. Energía Eólica .................................................................................................................... 1

1.1.2. Energía Hidráulica ............................................................................................................. 2

1.1.3. Biomasa ............................................................................................................................. 2

1.1.4. Geotérmica......................................................................................................................... 2

1.1.5. Energía Solar ..................................................................................................................... 3

1.2. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE RADIACIÓN SOLAR .......................................................... 4

1.3. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL AIRE ATMOSFÉRICO .................................................. 5

1.4. ALGUNAS PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO ........................................................ 6

1.4.1. Temperaturas ..................................................................................................................... 6

1.4.2. Presión ............................................................................................................................... 7

1.4.3. Humedad relativa ............................................................................................................... 7

1.4.4. Humedad absoluta ............................................................................................................. 7

1.4.5. Punto de rocío .................................................................................................................... 7

1.4.6. Entalpía .............................................................................................................................. 7

1.4.7. Densidad ............................................................................................................................ 8

1.4.8. Volumen específico ............................................................................................................ 8

1.5. CARTA PSICROMÉTRICA ...................................................................................................... 8

1.6. FUNDAMENTOS TEÓRICOS SOBRE EL DESHIDRATADO DE FRUTAS.......................... 11

1.6.1. Secado y deshidratación. ................................................................................................. 11

CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA

UTILIZADO PARA EL DESHIDRATADO DE FRUTAS SOLAR. ...................................................... 17

2.1. ASPECTOS GENERALES DEL SISTEMA. ........................................................................... 17

2.2. COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. .............................................................................. 18

2.2.1. Conceptos básicos sobre el colector solar de placa plana. ............................................. 18

2.2.2. Estimación de la eficiencia del colector solar utilizado por el sistema de deshidratado de

frutas. ......................................................................................................................................... 19

2.2.3. Determinación de la curva de funcionamiento característica del colector solar. ............. 20

2.2.4. Calentamiento del aire a través del conjunto de colectores solares. ............................... 31

2.3. CÁMARAS DE SECADO. ....................................................................................................... 33

2.3.1. Conceptos básicos sobre las cámaras de secado. ......................................................... 33

2.3.2. Descripción de las cámaras de secado utilizadas por el sistema de deshidratado de

frutas. ......................................................................................................................................... 37

2.4. ALMACÉN DE ENERGÍA (CÁMARA DE PIEDRAS) ............................................................. 37

2.4.1. Conceptos básicos sobre el almacenamiento de energía. .............................................. 38

2.4.2. Almacenamiento y uso de la energía térmica en el sistema de deshidratado de frutas. 42

2.5. DUCTOS PARA EL TRANSPORTE DE AIRE. ...................................................................... 47

2.5.1. Descripción de los ductos para transporte de aire utilizados por el sistema de

deshidratado de frutas................................................................................................................ 47

CAPITULO 3. MEDICIÓN DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO DEL SISTEMA DE

DESHIDRATADO DE FRUTAS. ....................................................................................................... 51

3.1. MEDICIÓN DE LAS PRESIONES EN EL SISTEMA. ............................................................. 51

3.1.1. Metodología...................................................................................................................... 51

3.1.2. Resultados de las mediciones de presión en el sistema. ................................................ 53

3.2. MEDICIÓN DE LOS VOLÚMENES DE AIRE QUE SE MANEJAN EN EL SISTEMA. .......... 54

3.2.1. Metodología...................................................................................................................... 54

3.2.2. Resultados de las mediciones de velocidad del aire y flujo volumétrico en el sistema. .. 56

3.3. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA A LA CUAL ENTRA EL AIRE

A LAS CÁMARAS DE SECADO. ................................................................................................... 64

3.3.1. Metodología...................................................................................................................... 64

3.3.2. Resultados de las mediciones de temperatura y humedad relativa a la cual entra el aire

a las cámaras de secado. .......................................................................................................... 64

3.4. MONITOREO Y COMPORTAMIENTO DE LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DEL

ALMACÉN DE ENERGÍA. ............................................................................................................. 65

3.4.1. Metodología...................................................................................................................... 65

3.4.2. Comportamiento del almacén de energía. ....................................................................... 67

CAPITULO 4. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA DE DESHIDRATADO DE

FRUTAS POR MEDIO DE ENERGÍA SOLAR. ................................................................................. 87

4.1. VALIDACIÓN DE LA CURVA DE FUNCIONAMIENTO CARACTERÍSTICA OBTENIDA

PARA LOS COLECTORES SOLARES UTILIZADOS POR EL SISTEMA DE DESHIDRATADO

DE FRUTA. .................................................................................................................................... 87

4.2. ANÁLISIS DEL POTENCIAL DE ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO DEL ALMACÉN DE

ENERGÍA DEL SISTEMA DE DESHIDRATADO DE FRUTAS..................................................... 90

4.2.1. Cálculo de las propiedades energéticas de las piedras utilizadas en el almacén de

energía. ...................................................................................................................................... 90

4.2.2. Consideraciones tomadas para realizar el análisis del potencial de almacenamiento

energético del almacén de energía del sistema de deshidratado de frutas. ............................. 93

4.2.3. Presentación de los resultados del análisis para obtener el potencial de almacenamiento

energético del almacén de energía del sistema de deshidratado de frutas .............................. 97

4.3. EVALUACIÓN DE LA CANTIDAD DE HUMEDAD EN EL AIRE A LA ENTRADA DE LAS

CÁMARAS DE DESHIDRATADO. .............................................................................................. 101

4.3.1. Marco teórico. ................................................................................................................ 101

4.3.2. Condiciones para desarrollar el análisis de la cantidad de humedad en el aire a la

entrada de las cámaras de deshidratado. ............................................................................... 101

4.3.3. Caso Analizado N.1: Evaluación de la humedad del aire cuando únicamente se retira la

energía almacenada del almacén de energía. ........................................................................ 102

4.3.4. Caso Analizado N.2: Evaluación de la humedad del aire cuando ingresa aire caliente a

las cámaras de secado e ingresa aire fresco al almacén de energía. .................................... 107

CAPITULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 113

5.1. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 113

5.2. RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 115

GLOSARIO….. ................................................................................................................................ 117

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 119

ANEXOS

ANEXO A: CANTIDAD DE AGUA A REMOVER DEL MANGO PARA DESHIDRATARLO .

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1: Promedio de radiación solar en una superficie horizontal, en las principales ciudades del

país (kWh/m²/día) ................................................................................................................................ 5

Tabla 2.1: Mediciones de temperatura a la entrada y salida del colector prototipo ......................... 24

Tabla 2.2: Mediciones de temperatura ambiente para el día 5 de mayo de 2010 ........................... 25

Tabla 2.3: flujo volumétrico que circula por el colector prototipo ...................................................... 26

Tabla 2.4: Irradiancia solar en Antiguo Cuscatlán para el día 5 de mayo de 2010 .......................... 27

Tabla 2.5: Temperatura y calor específico del aire que circula por el colector prototipo ................. 28

Tabla 2.6: Flujo másico de aire que circula por el colector prototipo ................................................ 29

Tabla 2.7: Cálculo de la eficiencia del colector prototipo .................................................................. 29

Tabla 2.8: Temperaturas de secado de algunos alimentos .............................................................. 36

Tabla 2.9: Tiempo de secado de algunos alimentos. ....................................................................... 36

Tabla 2.10: Capacidad de almacenamiento térmico de algunos materiales .................................... 40

Tabla 3.1: Resultados de las mediciones de presión en el sistema. ................................................ 53

Tabla 3.2: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto de entrada del aire al almacén de

energía .............................................................................................................................................. 57

Tabla 3.3: Velocidades del aire medidas en el ducto de entrada del aire al almacén de energía ... 57

Tabla 3.4: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto que conduce el aire hacia los

colectores solares ............................................................................................................................. 58

Tabla 3.5: Velocidades del aire medidas en el ducto que conduce el aire hacia los colectores

solares ............................................................................................................................................... 59

Tabla 3.6: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto que conduce el aire hacia las

cámaras secadoras ........................................................................................................................... 60

Tabla 3.7: Velocidades del aire medidas en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras .......................................................................................................................................... 60


secadoras (con las 4 cámaras secadoras activadas) ....................................................................... 62

Tabla 3.9: Flujos Volumétricos de aire que se manejan en el sistema ............................................. 63

Tabla 3.10: Etapas de la evaluación del comportamiento del almacén de energía ......................... 67

Tabla 3.11: Comparación entre las temperaturas medidas con las cámaras de secado desactivadas

y con las cámaras de secado activadas (ventilador central desactivado): ....................................... 82


y con las cámaras de secado activadas (ventilador central activado): ............................................. 85

Tabla 4.1: Temperatura de salida teórica del aire de los colectores en el sistema de deshidratado

de fruta .............................................................................................................................................. 89

Tabla 4.2: Temperaturas de las piedras y energía acumulada por el almacén en el intervalo de 0 a

2 horas .............................................................................................................................................. 97

x


4 horas ............................................................................................................................................... 98


6 horas ............................................................................................................................................... 98


8 horas ............................................................................................................................................... 98

Tabla 4.6: Temperaturas medidas en el almacén de energía el día 9 de mayo de 2010 ................. 99

Tabla 4.7: Temperaturas medidas en el almacén de energía el dia 10 de mayo de 2010 ............. 100

Tabla 4.8: Temperaturas medidas en el almacén de energía el día 11 de mayo de 2010 ............. 100

Tabla A.1: Información nutricional de 100 g. de mango: ................................................................. A-1

xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Espectro electromagnético ............................................................................................... 4

Figura 1.2: Carta Psicrométrica ........................................................................................................ 10

Figura 1.3: Esquema de un proceso de calentamiento de aire y deshidratado de un producto ...... 14

Figura 1.4: Diagrama en la carta psicrométrica de un proceso de calentamiento de aire y

deshidratado de un producto ............................................................................................................ 15

Figura 2.1: Modelo en 3 dimensiones de la planta deshidratadora de frutas ................................... 17

Figura 2.2: Esquema de la instalación en 2 dimensiones................................................................. 17

Figura 2.3: Ilustración del efecto invernadero en un corte transversal de un colector teórico.

1. Cubierta transparente. 2. Placa absorbedora. 3. Aislamiento. 4. Radiación reflejada en el interior

del colector. 5. Radiación emitida por la cubierta al calentarse. ....................................................... 19

Fuente: [Elaboración propia] ............................................................................................................. 19

Figura 2.4: Ubicación de los colectores solares en la planta de deshidratación. ............................. 19

Figura 2.5: Colector solar de placa plana. ........................................................................................ 20

Figura 2.6: Tendencia de la gráfica mostrada por ASHRAE ............................................................ 22

Figura 2.7: Termopar que mide la temperatura de entrada del aire al colector prototipo ................ 23

Figura 2.8: Termocupla que mide la temperatura de salida del aire del colector prototipo .............. 24

Figura 2.9: Fluke 975 Airmeter with Velocity .................................................................................... 25

Figura 2.10: Puntos de medición en el ducto del colector prototipo ................................................. 26

Figura 2.11: Curva de funcionamiento característica del colector solar prototipo ............................ 30

Figura 2.12: Recorrido del aire del almacén de energía hacia los colectores solares. .................... 31

Figura 2.13: Recorrido del aire a través de los colectores solares. .................................................. 32

Figura 2.14: Recorrido del aire a través del ducto de recalentamiento. ........................................... 32

Figura 2.15: Recorrido del aire caliente hacia el almacén de energía. ............................................. 33

Figura 2.16: Humedad relativa en función del tiempo. ..................................................................... 35

Figura 2.17: Cámaras secadoras de fruta del sistema de deshidratado. ......................................... 37

Figura 2.18: Modelo de depósito de almacenamiento térmico horizontal relleno de piedras ........... 41

Figura 2.19: Perfil típico tiempo-temperatura de los depósitos de almacenamiento térmico de

piedras ............................................................................................................................................... 41

Figura 2.20: Calentamiento del sistema de almacenamiento de energía ......................................... 43

Figura 2.21: Operación normal del sistema de almacenamiento de energía ................................... 43

Figura 2.22: Recuperación de la energía almacenada ..................................................................... 44

Figura 2.23: Modelo del almacén de energía de la planta. ............................................................... 45

Figura 2.24: Esquema de la instalación en 2 dimensiones............................................................... 46

Figura 2.25: Esquema de la instalación en 3 dimensiones............................................................... 47

Figura 2.26: Modelo del ducto que conduce el aire caliente hacia las secadoras. .......................... 48

Figura 2.27: Modelo del ducto que conduce el aire húmedo hacia el exterior. ................................ 48

DOCUMENTO%20TESIS.doc#_Toc269764139




xii

Figura 2.28: Modelo de ventilador utilizado para crear el flujo de aire interno dentro de las cámaras

de secado. ......................................................................................................................................... 48

Figura 2.29: Curva de funcionamiento de un ventilador utilizado para crear el flujo de aire interno

dentro de las cámaras de secado. .................................................................................................... 49

Figura 3.1: Esquema de ubicación de los puntos de medición de presión en el sistema. ............... 52

Figura 3.2: Manómetro Digital. .......................................................................................................... 52

Figura 3.3: Esquema del sistema con las presiones obtenidas en las mediciones. ......................... 54

Figura 3.4: Anemómetro de molinete Testo 416. .............................................................................. 55

Figura 3.5: Distribución de los puntos de medición de velocidad del aire. ....................................... 56

Figura 3.6: Ubicación del ducto de entrada del aire al almacén de energía ..................................... 56

Figura 3.7: Vista en planta del ducto de entrada del aire al almacén de energía con los resultados

de las mediciones de velocidad realizadas ....................................................................................... 57

Figura 3.8: Ubicación del ducto que conduce el aire hacia los colectores solares ........................... 58

Figura 3.9: Vista en planta del ducto que conduce el aire hacia los colectores solares con los

resultados de las mediciones de velocidad realizadas ..................................................................... 59

Figura 3.10: Ubicación del ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras ...................... 60

Figura 3.11: Vista en planta del ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras con los

resultados de las mediciones de velocidad realizadas ..................................................................... 61


resultados de las mediciones de velocidad realizadas (con las 4 cámaras secadoras activadas) .. 62

Figura 3.13: Esquema del sistema con los flujos volumétricos de aire obtenidos en las mediciones.

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

Figura 3.14: Higrómetro Rs para medir temperatura y humedad relativa del aire. ........................... 64

Figura 3.15: Esquema de la distribución de los puntos de medición en el almacén de energía. ..... 65

Figura 3.16: Ubicación de los termopares en el almacén de energía. .............................................. 66

Figura 3.17: Termopar dentro de tubo de hierro. .............................................................................. 66

Figura 3.18: Hydra data logger. ......................................................................................................... 66

Figura 3.19: Condiciones de radiación solar del día 8/05/2010 ........................................................ 68

Figura 3.20: Distribución de temperaturas obtenidas en el almacén de energía para el día

08/05/2010. ........................................................................................................................................ 69

Figura 3.21: Distribución de temperaturas obtenidas en el almacén de energía para el intervalo del

08/05/2010 al 09/05/2010. ................................................................................................................. 71

Figura 3.22: Condiciones de radiación solar del día 9/05/2010 ........................................................ 73


09/05/2010. ........................................................................................................................................ 74


09/05/2010 al 10/05/2010. ................................................................................................................. 76

Figura 3.25: Condiciones de radiación solar del día 10/05/2010 ...................................................... 78









xiii


10/05/2010. ....................................................................................................................................... 79


10/05/2010 al 11/05/2010. ................................................................................................................ 81

Figura 3.28: Condiciones de radiación solar del día 11/05/2010 ...................................................... 83


11/05/2010. ....................................................................................................................................... 84

Figura 3.30: Comportamiento térmico del almacén de energía durante los días del 8 de mayo de

2010 al 12 de mayo de 2010 ............................................................................................................. 86

Figura 4.1: Esquema del almacén de energía utilizado para el análisis energético ......................... 93

Figura 4.2: Comportamiento térmico del aire durante los días del 8/5/2010 al 12/5/2010 ............... 94

Figura 4.3: Energía acumulada en el tiempo por el almacén de energía. ....................................... 99

Figura 4.4: Distribución de temperaturas obtenidas en el almacén de energía para la noche del día

10/05/2010. ..................................................................................................................................... 104

Figura 4.5: Recorrido del aire durante el proceso de calentamiento .............................................. 105

Figura 4.6: Esquema de la variación de la humedad relativa del aire ............................................ 106

Figura 4.7: Esquema de flujo caso analizado N.2 .......................................................................... 108

Figura 4.8: Temperaturas obtenidas en los termopares N°1 y N° 6 para el día 11/05/2010. ......... 109

Figura 4.9: Variación de la humedad relativa ................................................................................. 110

Figura A 1: Mango Panades entero y partido, El Salvador, julio 2002. ........................................... A-2














xv

SIGLAS.

A.C.S.: Agua Caliente Sanitaria.

ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (Sociedad

Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado).

EES: Engineering Equation Solver (Programa para resolver ecuaciones de ingeniera).

UCA: Universidad Centroamericana José Simeón Cañas.

xvii

ABREVIATURAS.

Asolar: Área solar

a.m.: Antes meridiano

C: Capacidad térmica específica de un material

Cal: Calorías

Cp: Calor específico del material utilizado

Cpagua: Calor específico del agua

Cpaire: Calor especifico del aire

Cpfluido: Calor específico del fluido

Cppiedra: Calor especifico de la piedra

D: Diámetro de la piedra

ec.: Ecuación

Kpiedra: Conductividad térmica de la piedra

M: Masa del material

mpiedra: Masa de la piedra

m1: Masa inicial (Antes del proceso de deshidratado)

m2: Masa final (Después del proceso de deshidratado)

magua: Masa de agua

maire: Flujo másico de aire

mcolector: Flujo másico de aire que circula por el colector

P1: Punto N° 1 de medición

P2: Punto N° 2 de medición

Pos: Posición de un punto de medición

P: Perímetro de la sección de piedra que atraviesa la corriente de aire

Qútil: Cantidad de energía real transferida al fluido

Qs: Calor sensible

Rglobal: Resistencia térmica global de las paredes del almacenador

Ts colector: Temperatura de salida del aire del colector

Ti colector: Temperatura de entrada del aire del colector

Tambiente: Temperatura ambiente

Tm colector: Temperatura media del aire que circula por el colector prototipo

T1: Temperatura inicial del producto

T2: Temperatura de deshidratado promedio

Tf: Temperatura final del material

Ti: Temperatura inicial del material

xviii

Tequilibrio: Temperatura de equilibrio entre el agua y la piedra

Ti piedra: Temperatura de la piedra al inicio de la prueba

: Temperatura de las piedras al inicio del intervalo de tiempo para el nodo “x-1”

: Temperatura de las piedras al inicio del intervalo de tiempo para el nodo “x”

: Temperatura de las piedras al final del intervalo de tiempo para el nodo “x”

Vpiedra: Volumen de la piedra

Vrs.: Versus

Xi : Contenido de humedad inicial

Xc: Contenido equivalente de humedad

xix

SIMBOLOGÍA.

GT: Irradiancia

ρc: Capacidad térmica volumétrica

Α: Difusividad térmica

K: Conductividad térmica

ηcolector: Eficiencia del colector

∆m: Cambio de masa

ΔT: Cambio de temperatura

ρpiedra: Densidad de la piedra

: Incremento de x en el nodo analizado

: Incremento en el volumen de piedras en el nodo analizado

: Intervalo de tiempo analizado

μ: Micras

xxi

PRÓLOGO.

La energía solar térmica para el calentamiento sensible de aire es el punto central del contenido.

Se desarrolla una caracterización de una planta de deshidratación de frutas a través de la energía

solar térmica, para ello se realizaron investigaciones de cada uno de los componentes de la planta

así como un monitoreo de las condiciones de funcionamiento real de la planta.

En el primer capítulo, se genera una introducción al campo de las energías renovables así como

los factores que afectan su uso, haciendo mucho énfasis en la energía solar. Se describe el

comportamiento del aire bajo distintas condiciones termodinámicas, fluido de trabajo, así como los

cambios en sus propiedades. Una pequeña introducción a la radiación electromagnética se

desarrolla para familiarizar al lector con el contenido que se aborda a lo largo de todo el

documento.

En el segundo capítulo, se describen los componentes del sistema utilizado para la deshidratación

de frutas, colectores solares, ductos, almacenamiento de energía y cámaras de deshidratado. Se

describe cada uno de los componentes y a través de esquemas y figuras (en 3D) se muestra su

ubicación y función en la planta de deshidratado.

En el tercer capítulo, se desarrolla la medición de las condiciones del fluido de trabajo (el aire) en

cada uno de los componentes del sistema. Se presentan la metodología utilizada para realizar las

mediciones y los resultados obtenidos, de temperatura, presión, flujos volumétricos, etc. Uno de los

componentes que se caracterizó y que demando de mediciones muy cuidadosas fue la del

almacén de energía. Para este componente se presentan las mediciones realizadas por cuatro

días consecutivos a través de un dispositivo de medición y almacenamiento electrónico de datos.

Se presentan las curvas de temperatura medidas así como un análisis de cada uno de los

resultados obtenidos a partir de las condiciones de funcionamiento.

En el cuarto capítulo, se genera una aproximación teórica del funcionamiento de algunos

componentes del sistema de deshidratación de frutas. A través de fórmulas matemáticas y

aproximaciones termodinámicas se trata de generar análisis que dejen una referencia en caso que

se desee aproximar al funcionamiento de los componentes de la planta de deshidratado de frutas

sin la necesidad de las mediciones reales. Para comprobar la cercanía de los análisis realizados se

han comparado los resultados obtenidos con los datos reales obtenidos.

1

CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1. LAS ENERGÍAS RENOVABLES

En la actualidad, ante los precios continuamente crecientes de los combustibles fósiles y su

consecuente contaminación ambiental, se están fortaleciendo los estudios de las energías

renovables como una alternativa para satisfacer algunas de las necesidades energéticas. Aunque,

la disponibilidad y características de la energía suministrada por las energías renovables no se

comparan en su totalidad aún a la cedida por los combustibles fósiles, esta permite garantizar el

suministro parcial de energía, de forma limpia y en armonía con el medio ambiente. Sin embargo,

ante los desarrollos continuos en la investigación de los diferentes tipos de generación de energías

renovables, no se descarta que en un futuro próximo iguale en calidad (rendimiento) a la energía

que hoy abastece el petróleo.

Se denomina energía renovable, a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente

inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces

de regenerarse por medios naturales.

Las energías renovables más utilizadas hoy en día son:

Energía Eólica

Energía Hidráulica

Biomasa

Geotérmica

Energía Solar

1.1.1. Energía Eólica

La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol, y las

irregularidades de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña parte de la energía solar que

llega a la tierra se convierte en energía cinética del viento, la cantidad total es enorme.

Con la ayuda de los aerogeneradores o generadores eólicos se puede convertir la fuerza del viento

en electricidad u otro tipo de energía. Éstos tienen usos muy diversos y pueden satisfacer

demandas de pequeña potencia (bombeo de agua, electrificación rural, etc.) o agruparse y formar

parques eólicos conectados a la red eléctrica.

2

Durante siglos el viento ha movido las aspas de los molinos utilizados para moler el grano o

bombear agua. Por ello, tras siglos de mejoras técnicas, la energía eólica es en la actualidad una

de las energías renovables más competitivas.

1.1.2. Energía Hidráulica

La energía hidráulica tiene su origen en el "ciclo del agua", generado por el Sol, al evaporar las

aguas de los mares, lagos, etc. Esta agua cae en forma de lluvia y nieve sobre la Tierra y vuelve

hasta el mar, donde el ciclo se reinicia. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía

potencial asociada a los saltos de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de

un río. Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las turbinas

que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a diferente altura y, por tanto a

gran velocidad.

1.1.3. Biomasa

El término biomasa en su acepción más amplia incluye toda la materia viva existente en un sistema

de tiempo en la tierra. La biomasa energética también se define como el conjunto de la materia

orgánica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación

natural o artificial.

Cualquier tipo de biomasa tiene en común con el resto el hecho de provenir en última instancia de

la fotosíntesis vegetal.

El uso regulado de la biomasa, como la poda controlada en árboles, la quema de desechos

orgánicos, etc. permite generar un aprovechamiento muy completo de la energía liberada por la

biomasa. Sin embargo, sin mecanismos de control sobre el uso de la biomasa se puede llevar a la

degradación, a veces irreversible, de bosques y sistemas generadores de vegetación.

1.1.4. Geotérmica

Dentro del grupo de las energías renovables se destaca la energía geotérmica, que se utiliza para

producir energía eléctrica a partir del calor que naturalmente se genera en el interior de la tierra.

Sin embargo, el potencial de la energía geotérmica no se limita solamente a la electricidad, sino

que también puede ser utilizada para la calefacción, refrigeración, o simplemente el agua caliente

de cualquier uso doméstico.

3

La energía geotérmica es la energía renovable más fiable debido a que su uso no depende del

clima sino del núcleo del planeta que se encuentra siempre caliente.

1.1.5. Energía Solar

La energía solar se fundamenta en el aprovechamiento de la radiación solar para la obtención de

energía que podemos aprovechar directamente en forma de calor o bien poderla convertir en

electricidad.

La principal ventaja de la energía solar es que no consume combustible, pues obtiene su energía

del Sol, lo cual significa que, económicamente, en el largo plazo estos sistemas son más viables y

estables. El alto costo inicial sigue siendo, no obstante, la desventaja desde el punto de vista

económico. Desde el punto de vista ecológico, la energía solar no tiene competencia, pues es

renovable y limpia.

Son varios los motivos que hacen que los sistemas con aprovechamiento energético solar sean

una alternativa atractiva:

Aspecto económico: Inicialmente resulta más caro un sistema de captación de energía

solar que uno convencional de gas o de electricidad. Sin embargo el equipo solar utiliza la

energía gratuita del sol mientras que el calentador convencional utiliza gas de origen fósil

que no es gratuito, de igual manera el calentador por energía eléctrica tiene sus costos

tanto en la generación como en la distribución de dicha energía. El gasto acumulado que

implica la compra mes a mes de un combustible o de energía eléctrica llega pronto a

igualar al gasto realizado en la instalación de un calentador solar.

Independencia energética: El contar con un calentador solar implica disponer de una

mayor independencia energética con respecto a las compañías de gas o de electricidad,

con sus subidas de precios o los posibles problemas de suministro.

Aspectos ecológicos: No menos importante que lo anterior es la implicación ecológica

que conlleva el adquirir un calentador solar. Al no utilizar la combustión para el

calentamiento de algún fluido en específico, se deja de liberar una gran cantidad de

anhídrido carbónico a la atmósfera y de contribuir al calentamiento global y a la

contaminación atmosférica.

En nuestro país se cuenta con un alto potencial de energía solar, debido a esto, en el país no solo

se aprovecha para la generación de energía eléctrica, sino también para el calentamiento sensible

4

de agua (agua caliente sanitaria A.C.S.) y de aire. Como un ejemplo muy concreto del uso de las

energías renovables, específicamente de la energía solar, se presenta el análisis y caracterización

de un sistema solar de calentamiento de aire para el deshidratado de frutas ubicado en la finca

“Don Chimino” en el municipio de Guazapa, El Salvador.

1.2. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE RADIACIÓN SOLAR

Se entiende como radiación solar la radiación electromagnética que proviene del Sol, la cual se

extiende desde los rayos gamma (de longitud de onda de 10-10

cm. e inferiores) hasta las ondas de

radio (de longitudes de onda de 105 cm y superiores). La mayoría de la radiación solar cae entre las

longitudes de onda de 0.5 a 120 micrómetros, y la radiación de importancia práctica a los usuarios

de energía solar cae entre 0.15 y 3.0 micrómetros. Las longitudes de onda de la radiación visible

están entre 0.4 y 0.75 micrómetros (ver figura 1.1). La cantidad de energía radiada por el Sol se

estima a una razón de 3.8x1023

kJ/s.

Figura 1.1: Espectro electromagnético

Fuente: [http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Electromagnetic_spectrum-es.svg]

La tierra está a 150 millones de km del Sol y tiene un radio de aproximadamente 6360 km. La tierra

gira alrededor del Sol en una órbita elíptica a una velocidad media de 30 km/s y al mismo tiempo

rota sobre su eje a una velocidad de 0.5 km/s. El eje de rotación de la tierra está inclinado 23.45°

con respecto a su órbita alrededor del Sol. La distribución de la radiación solar sobre la superficie

de la tierra y su variación a lo largo de la duración del día es el resultado de la posición inclinada de

la tierra, su rotación diaria y su traslación anual. Es decir, la radiación solar recibida en la superficie

de la tierra no es constante.

Una de las ventajas de El Salvador, es su ubicación geográfica que le permite una radiación

incidente horizontal arriba de los 3 kWh/m² en todos sus municipios durante todos los meses

[Sánchez, Ismael et al., 2006: P.101 a P.105]. A continuación se presenta una tabla que muestra el

5

promedio de radiación solar incidente en una superficie horizontal en las principales ciudades del

país.

Tabla 1.1: Promedio de radiación solar en una superficie horizontal, en las principales ciudades del

país (kWh/m²/día)

PROMEDIO ANUAL

Min Max Mean

Ahuachapán 4.82 4.87 4.84

Chalatenango 4.92 4.93 4.92

Cojutepeque 5.00 5.03 5.01

La Unión 4.86 4.87 4.86

San Francisco (Gotera) 4.76 4.77 4.77

San Miguel 4.84 4.88 4.86

San Salvador 4.97 5.32 5.16

San Vicente 4.88 4.91 4.89

Santa Ana 4.56 4.66 4.61

Santa Tecla 4.87 5.05 4.95

Sensuntepeque 4.78 4.78 4.78

Sonsonate 4.63 4.72 4.68

Usulután 4.96 5.00 4.99

Zacatecoluca 5.01 5.02 5.01

Fuente: [Sánchez, Ismael et al., 2006: p.106]

De acuerdo a los datos reportados en la literatura antes mencionada, para el municipio de

Guazapa, donde se encuentra la planta en estudio se tiene un promedio de radiación solar

horizontal de 5.5 kWh/m² durante todo el año.

1.3. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL AIRE ATMOSFÉRICO

El aire atmosférico es una mezcla de gases incolora, inodora e insípida que rodea la tierra. Los

principales gases que lo componen son: oxígeno, nitrógeno, bióxido de carbono, hidrógeno, vapor

de agua, y un porcentaje muy pequeño de gases raros como argón, neón, ozono, etc.

El aire sin contenido de vapor de agua se conoce con el término de “aire seco”, aunque el aire

atmosférico siempre cuenta con un porcentaje específico de vapor de agua. Algo muy importante

de hacer notar es que el aire seco se comporta bajo las leyes de los gases ideales, mientras que el

aire con vapor de agua no.

La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire, ya sea

a la intemperie, o dentro de un espacio. La humedad está "en el aire", solamente en el sentido de

que los dos, aire y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo.

6

Por costumbre común, se dice que el aire contiene humedad, y es conveniente hacerlo así, en el

entendido de que siempre se recuerde que es una manera de hablar, y que en realidad, los dos

son independientes uno del otro, y que no responden de la misma manera a los cambios de

condiciones, especialmente a los cambios de temperatura. Las palabras "vapor" y "gas",

comúnmente se emplean para referirse a lo mismo; pero en realidad, un gas es un vapor altamente

sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación, como el aire. Un vapor está en sus

condiciones de saturación o no muy lejos de ellas, como el vapor de agua. Así pues, el vapor de

agua o "humedad" en un espacio, puede estar en una condición de saturación o ligeramente arriba

de ella. Si se enfría unos cuantos grados, se logra que se condense, y si le aplica calor, se

sobrecalienta.

En algunas épocas del año, incluso durante un mismo día, el aire atmosférico contiene más

humedad que en otras. En realidad, la máxima variación en el contenido de humedad, nunca pasa

de más de unos cuantos gramos por metro cúbico, lo que es una fracción extremadamente

pequeña del peso total del aire y humedad en la atmósfera (a menos que esté lloviendo).

1.4. ALGUNAS PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO

En los procesos que se usa el aire atmosférico como fluido de trabajo, determinar las propiedades

termodinámicas para definir su estado es de vital importancia. El estado termodinámico adecuado

garantizará que la operación o proceso desarrollado por el fluido de trabajo se efectué

satisfactoriamente.

A continuación se detallan las principales propiedades que es necesario definir para comprender

los análisis posteriores.

1.4.1. Temperaturas

Temperatura de bulbo seco: o temperatura seca es la medida con un termómetro convencional

de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Temperatura de bulbo húmedo: corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbo

húmedo. Es la temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo de

un termómetro ordinario. La evaporación del agua produce un enfriamiento que depende de la

capacidad evaporativa del aire, lo que da una medida de la humedad.

7

1.4.2. Presión

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir,

equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. En determinadas aplicaciones la

presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión

atmosférica, denominándose presión relativa o presión manométrica. Consecuentemente, la

presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica.

1.4.3. Humedad relativa

La humedad relativa es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra

dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente

saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porcentaje,

tal como 50%, 75%, 30%, etc. De acuerdo a la ASHRAE (American Society of Heating,

Refrigerating and Air-Conditioning Engineers), una definición más técnica de humedad relativa

sería la relación de la fracción mol del vapor de agua presente en el aire, con la fracción mol del

vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura y presión. A menor valor de

humedad relativa mayor capacidad del aire para retener humedad y a mayor humedad relativa

menor capacidad para retener humedad.

1.4.4. Humedad absoluta

La humedad absoluta es la cantidad de masa de vapor de agua (en kilogramos) contenida en un

kilogramo de aire seco. La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo las

condiciones establecidas; es decir, la humedad relativa es una comparación con la humedad

absoluta a la misma temperatura, si el vapor de agua está saturado. Tanto la humedad absoluta,

como la relativa, están basadas en el peso del vapor de agua en un volumen dado.

1.4.5. Punto de rocío

El punto de rocío se define como la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el aire,

comienza a condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La humedad relativa de una

muestra de aire, puede determinarse por su punto de rocío.

1.4.6. Entalpía

En la todos los procesos, que tienen como fluido de trabajo el aire, es necesario conocer cuánto

calentamiento o enfriamiento se requiere para hacer cambios en la condición del aire. Para

8

expresar el calor absorbido ó liberado en un proceso se usa una cantidad llamada entalpía. La

entalpía no es no es una propiedad medible a través de instrumentos, sino que se deriva del

conocimiento de otras propiedades.

1.4.7. Densidad

La densidad se define como la razón de unidad de masa por unidad de volumen

1.4.8. Volumen específico

El volumen específico es el volumen ocupado por unidad de masa de una sustancia. Es el inverso

de la densidad.

1.5. CARTA PSICROMÉTRICA

Una carta psicrométrica, es una gráfica que permite conocer las propiedades del aire atmosférico,

tales como temperatura de bulbo húmedo y seco, humedad relativa, humedad absoluta y volumen

específico. La carta psicrométrica se utiliza para ejemplificar diferentes procesos y determinar,

cómo varían las propiedades del aire al cambiar alguna de ellas. La carta psicrométrica puede

basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal al nivel del mar, o puede estar basada

en presiones menores que la atmosférica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del

mar.

La carta psicrométrica, tiene la ventaja de dar a conocer las propiedades del aire en rangos

bastantes amplios en un solo gráfico (como el que se muestra en la figura 1.2), sin embargo, no se

tiene una extrema precisión, pero se obtienen datos lo suficientemente aceptables como para

aceptar análisis derivados de su uso.

En un proceso de calentamiento sensible del aire, la humedad absoluta permanece constante (si

no se agrega humedad), mientras su humedad relativa disminuye. Por lo tanto, se incrementa la

capacidad del aire para retener humedad a medida se incrementa la temperatura.

En un proceso de calentamiento de aire, es necesario conocer la humedad del aire, tanto a la

entrada del proceso como a la salida, ya que de esta manera se determinaría si el calentamiento

es el suficiente para alcanzar una humedad relativa óptima. Como ejemplo, supóngase que a la

entrada de un proceso de calentamiento de aire se tiene aire atmosférico a una temperatura de

bulbo seco de 25°C y una humedad relativa de un 70%, y se desea verificar si al calentar el aire

9

hasta 50°C, sale del proceso con una humedad relativa de 15% La solución a este problema se

detalla gráficamente en la carta psicrométrica mostrada en la figura 1.2.

De acuerdo a los resultados se puede ver que la humedad absoluta permanece constante (14 gr/kg

de aire seco) durante el calentamiento, ya que no se agrega humedad al proceso. Además, del

punto de inicio (A) y el punto final del calentamiento (B) se deduce que el calentamiento dado no

da como resultado una humedad relativa de 15%, sino 18% aproximadamente (línea azul). Por lo

tanto, para tener una humedad relativa de un 15%, el aire debe calentarse hasta una temperatura

aproximada de 55°C.

10

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http://www.valycontrol.com.mx/mt/mt_cap_13.pdf

11

1.6. FUNDAMENTOS TEÓRICOS SOBRE EL DESHIDRATADO DE FRUTAS

El secado o desecación es uno de los procesos más antiguos de preservación de alimentos. En los

alimentos deshidratados, debido a la mínima actividad de agua, los microorganismos no pueden

proliferar y quedan detenidas la mayoría de las reacciones químicas y enzimáticas de alteración.

El objetivo del secado es reducir el contenido de humedad de un producto para lograr períodos de

almacenamiento más largos sin que pierda sus propiedades nutricionales. La calidad y el costo de

un producto deshidratado están influenciados fuertemente por la operación de secado. La calidad

se evalúa por la cantidad de degradaciones físicas y bioquímicas que ocurren en el alimento y

depende de la temperatura y del tiempo de secado.

Una de las ventajas del deshidratado es la preservación de productos post-cosecha.

1.6.1. Secado y deshidratación.

Aunque ambos términos se aplican a la eliminación del agua de los alimentos, en la tecnología de

los alimentos el término secado se refiere a la desecación natural, como la que se obtiene

exponiendo el producto a la acción directa del sol. El éxito de esta técnica se le atribuye a su

simplicidad y bajo costo. Bajo condiciones climáticas favorables, es posible obtener buena calidad

de los productos.

El secado al natural presenta algunas desventajas que afectan la calidad de los productos, estas

son:

Falta de higiene durante el proceso.

Se necesitan superficies extensas para secar los productos.

En caso de extrema humedad y poca insolación hay riesgo de que el producto se pudra.

Se designa deshidratación al secado por medios artificiales, como la exposición del producto a una

corriente de aire caliente.

La deshidratación implica el control sobre las condiciones climáticas del aire caliente dentro de una

cámara o el control de un medio circundante. Los alimentos secados en cámaras de deshidratado

tienen mejor calidad que sus duplicados secados directamente al sol, además de que se necesita

menos terreno para la actividad de deshidratación.

12

Dos métodos son los más utilizados y probados hasta ahora para deshidratar productos, que se

diferencian en el origen de la fuente energética para el calentamiento del aire:

Deshidratado Solar: Consiste en utilizar al sol como fuente energética de manera directa o

indirecta para lograr el calentamiento sensible de aire para eliminar humedad de un producto

que se desea deshidratar. Para contrarrestar las desventajas del secado al aire libre se han

diseñado los secadores o deshidratadores solares, usando la luz solar y las corrientes de aire

en forma mucho más eficiente y limpia.

Deshidratado Mecánico: Para este secado se utiliza combustible ya sea directa o

indirectamente:

Directo: El alimento se va a deshidratar por el calor generado al quemar el combustible.

Indirecto: El combustible calienta el aire que luego se va a utilizar para deshidratar el producto.

Sin embargo, la parte principal del proceso es el mismo en los dos casos: Calentar una masa de

aire para bajar su humedad relativa y hacerla pasar por el producto para que el aire retire una

cierta cantidad de agua hasta que el producto llegue a las condiciones deseadas.

Ejemplo de un proceso de calentamiento y deshidratado usando la carta psicrométrica.

A continuación se desarrolla un análisis del proceso de calentamiento y deshidratado de un

producto por medio de la carta psicrométrica, donde se contempla el recorrido completo del aire

desde el proceso de calentamiento hasta que pasa por cámaras donde retira la humedad de un

producto especifico. Para el desarrollo de este ejemplo se asumirá lo siguiente:

1. La temperatura del aire que ingresa a la fase de calentamiento a 26°C.

2. La humedad relativa del aire a su ingreso, 72%.

3. La humedad absoluta del aire permanece constante en el proceso de calentamiento dentro del

sistema. Cuando hay un calentamiento del aire hay un aumento de la capacidad de éste para

absorber humedad, pero internamente en el sistema, cuando el aire se calienta no hay fuentes

que le permiten a éste absorber humedad, únicamente cuando se encuentra en contacto

directo con el producto que se deshidrata.

13

4. La temperatura del aire que sale de la fase de calentamiento e ingresa a la cámara donde se

deshidrata es de 60ºC.

5. La temperatura del aire que sale de la cámara es de 45ºC.

6. Cuando se agrega humedad sin incrementar la energía, el proceso se desarrolla a entalpía

constante, en este caso 99.48 KJ/Kg de aire seco; por lo que la humedad relativa del aire al

salir de la de cámara es de 34.45% y la humedad absoluta de 0.02099 Kg de agua/Kg aire

seco.

Un esquema del proceso de calentamiento de aire y deshidratado se muestra en la figura 1.3.

En la figura 1.4 se muestra el proceso de calentamiento y deshidratado de un producto en una

carta psicrométrica, el punto “A” define el ingreso de aire a la fase de calentamiento, como puede

verse la humedad absoluta del proceso permanece constante. El punto “B”, corresponde al aire

una vez ha salido de la fase de calentamiento (60°C) y el punto “C” cuando el aire sale de la

cámara de deshidratado y ha evacuado cierta cantidad de agua del producto que se deshidrata.

Es importante tomar en cuenta que el esquema mostrado en la carta psicrométrica es válido para

un momento determinado, ya que, a medida va cambiando el tiempo, también varían las

propiedades del aire y del producto; por lo que a cada instante le corresponde un diagrama

psicrométrico distinto.

A través de pruebas puede determinarse el tiempo que es necesario mantener una clase de

producto deshidratándose y la cantidad de agua que éste contiene al momento que se ingresa a

las cámaras de deshidratado. Si estos datos son conocidos puede conocerse la razón a la que se

retira agua del producto (dividiendo la cantidad de agua entre el tiempo necesario para retirarla),

esto variará dependiendo del flujo de aire caliente que ingrese a las cámaras deshidratadoras.

14

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17

CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA

UTILIZADO PARA EL DESHIDRATADO DE FRUTAS SOLAR.

2.1. ASPECTOS GENERALES DEL SISTEMA.

En la planta en estudio, se realiza el proceso de deshidratado de frutas a través del deshidratado

solar, para esto el sistema cuenta con varios componentes que realizan diferentes actividades:

calentamiento de aire, almacenamiento de energía, conducción del aire y deshidratado en las

cámaras secadoras.

Los componentes del sistema que se utilizan para llevar a cabo estas actividades son: colectores

solares, cámaras de secado, cámara de piedras (almacén de energía) y ductos para el transporte

de aire caliente.

Una vista general de la instalación ubicada en la finca “Don Chimino” se muestra en la figura 2.1 y

un esquema de la ubicación y relación de cada elemento en la figura 2.2.

Figura 2.1: Modelo en 3 dimensiones de la planta deshidratadora de frutas

Fuente: [Elaboración propia]

Figura 2.2: Esquema de la instalación en 2 dimensiones.

Fuente: [Elaboración propia a partir de diagrama proporcionado por la empresa CONA Solar]

18

A continuación se presenta una descripción del funcionamiento de cada uno de los componentes

que conforman el sistema de deshidratado de frutas por medio de energía solar.

2.2. COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA.

2.2.1. Conceptos básicos sobre el colector solar de placa plana.

Esta es la máquina que transforma la energía radiante del Sol en energía térmica, la cual es

trasmitida a una masa de fluido; en el caso estudiado es el aire atmosférico. Se describe

básicamente como una cámara cerrada, aislada térmicamente que consta de dos elementos

principales: una cubierta transparente y un absorbedor (ver figura 2.3).

La cubierta transparente permite el paso de la radiación solar al interior del colector, evita la salida

de las radiaciones reflejadas por las paredes y las emitidas por el absorbedor.

El absorbedor, por lo general, es una placa negra colocada dentro del colector y su misión es

recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador.

La radiación emitida por el absorbedor depende de la temperatura que éste tenga, pero en

condiciones normales de funcionamiento emite radiación con una longitud de onda más o menos

comprendida entre 4.5 y 7.2 μm, para el cual el vidrio de la cubierta es opaco, incrementando así el

efecto invernadero dentro del colector.

En un colector teórico el efecto invernadero se comporta como el que se muestra en la figura 2.3. A

medida incrementa la temperatura en el colector, la cubierta transparente (generalmente está

construida de vidrio) comienza también a emitir radiación. Aproximadamente la mitad de esta

radiación se emite hacia el exterior, perdiéndose, pero la otra mitad vuelve hacia el interior y

contribuye así a calentar aún más la superficie del absorbedor. Este último fenómeno es lo que se

conoce como efecto invernadero.

19

Figura 2.3: Ilustración del efecto invernadero en un corte transversal de un colector teórico.

1. Cubierta transparente. 2. Placa absorbedora. 3. Aislamiento. 4. Radiación reflejada en el interior

del colector. 5. Radiación emitida por la cubierta al calentarse.


2.2.2. Estimación de la eficiencia del colector solar utilizado por el sistema de deshidratado

de frutas.

La planta de deshidratación para este caso de estudio, cuenta con un conjunto de 30 colectores

solares de placa plana, cada uno con un área de 2 m². Estos colectores se encuentran ubicados en

el techo de la instalación como puede apreciarse en la figura 2.4:

Figura 2.4: Ubicación de los colectores solares en la planta de deshidratación.


Una de las características importantes de los colectores solares es su eficiencia. La eficiencia se

define como la razón entre la energía útil y la energía total recibida.

20

Debido a que en los colectores utilizados en la finca “Don Chimino” no se tiene un conocimiento

exacto acerca de la eficiencia de los colectores utilizados, se presenta a continuación el análisis

realizado para determinar la eficiencia de los colectores.

2.2.3. Determinación de la curva de funcionamiento característica del colector solar.

La curva de funcionamiento permitirá determinar la eficiencia de operación de los colectores

instalados en el sistema de deshidratado de frutas, es decir, permitirá evaluar con que eficiencia

transforman la energía de la radiación solar en energía térmica.

Metodología para la obtención de la curva de funcionamiento característica del colector.

Para la obtención de esta gráfica se utilizaron los colectores de una planta de deshidratación a

escala (30:1) que se encuentra instalado en la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas

UCA (ver figura 2.5) el cual funciona para fines educativos y que a la vez cumple con todos los

requisitos necesarios para poder obtener datos certeros acerca de la instalación en estudio.

Figura 2.5: Colector solar de placa plana.


Para obtener la gráfica de funcionamiento, se aplicó el análisis a un colector de placa plana que

tiene como fluido de trabajo el aire.

El análisis, como ya se mencionó, se realizó en un prototipo de colector el cual tiene un área solar

de 2 m² para posteriormente hacer extensiva la curva encontrada al conjunto de colectores solares

del sistema de deshidratado de frutas que en total tienen un área solar de 60 m².

21

Para obtener la curva de eficiencia de los colectores solares se siguió el procedimiento normado

propuesto por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers) en la norma ASHRAE 93-77 [Solar Rating, www.solar-rating.org, mayo 2010], el cual

consiste en realizar mediciones de campo de la Irradiancia, Flujo volumétrico que se tiene en el

sistema, Temperatura de entrada y salida del fluido que circula por los colectores. Todo esto es

necesario para obtener el calor que el colector transmite al fluido contra el calor total recibido.

Para cada punto de medición se debe obtener la eficiencia por medio de la siguiente ecuación:

(ec. 2.1)

Donde:

= Eficiencia del colector

Cantidad de energía real transferida al fluido

Irradiancia (W/m²)

Asolar = área solar (m2)

Pero antes debe encontrarse la cantidad de energía que realmente se está depositando en el fluido

caloportador a través de la siguiente ecuación:

(ec. 2.2)

Donde:

= Flujo másico de aire que circula por el colector

= Calor específico del fluido

= Temperatura de salida del aire del colector

= Temperatura de entrada del aire al colector

Para ver gráficamente el comportamiento de la eficiencia con respecto a los valores de la

Irradiancia y las temperaturas de ingreso del fluido del colector y la temperatura ambiente, se

necesita generar el siguiente término para cada momento de medición:

Término utilizado para poder generar la gráfica

http://www.solar-rating.org/standards/OGDOCUMENTS/RM-1.PDF

http://www.solar-rating.org/

22

Donde:

= Temperatura de entrada del aire al colector (ºC)

= Temperatura ambiente (°C)

Irradiancia (W/m²)

Tanto la eficiencia como el término se utilizan para construir la gráfica que muestra

la tendencia que debería seguir este tipo de colectores solares (figura 2.6):

Figura 2.6: Tendencia de la gráfica mostrada por ASHRAE

Fuente: [ASHRAE Standard 93-97]

El objetivo final de todo el procedimiento es obtener esta gráfica la cual muestra cómo se comporta

la eficiencia de los colectores solares a medida aumenta o disminuye el cociente

Medición de las variables involucradas en la determinación de la curva de

funcionamiento característica del colector solar.

Todos los términos involucrados para encontrar la eficiencia fueron medidos, algunos en el colector

prototipo, y otros se tomaron de la estación meteorológica ubicada en la Universidad

Centroamericana “José Simeón Cañas”. Los momentos de medición en el colector prototipo fueron

sincronizados con los momentos de medición de la estación meteorológica, para que los datos

correspondieran.

23

Para tener una mayor certeza en las mediciones, se hizo funcionar el colector una hora antes de

realizar las mediciones, con el objetivo de asegurar que el sistema se encontrara estable a la hora

de medir.

Se realizaron las mediciones cada 15 minutos durante el lapso de las 9:00 a.m. a las 12:00 m. del

día 5 de mayo de 2010. Las variables que se midieron durante este lapso de tiempo fueron:

Las temperaturas a la entrada y salida del colector prototipo

La temperatura ambiente

Flujo volumétrico de aire que circula por el colector prototipo

Irradiancia

Medición de las temperaturas a la entrada y salida del colector prototipo.

Las mediciones de temperatura de entrada y salida del aire del sistema se obtuvieron mediante

termopares. Por la configuración del colector prototipo, el aire calentado a través del colector entra

previamente a una cámara para posteriormente, con la ayuda de un ventilador de succión, pasar a

la cámara de secado (la instalación prototipo no tiene almacén de energía).

El termopar ubicado para registrar la temperatura a la entrada al colector se colocó al centro del

ducto de entrada (figura 2.7):

Figura 2.7: Termopar que mide la temperatura de entrada del aire al colector prototipo


El termopar que registró la temperatura a la salida se ubicó dentro de la cámara previa a la cámara

de secado, como se observa en la figura 2.8:

24

Figura 2.8: Termocupla que mide la temperatura de salida del aire del colector prototipo


Los termopares, a su vez, se conectaron al dispositivo de almacenamiento automático de datos

Hydra data logger, el cual almacenó las temperaturas registradas por los termopares en intervalos

de 15 minutos. Los datos obtenidos en las mediciones se muestran en la tabla 2.1:

Tabla 2.1: Mediciones de temperatura a la entrada y salida del colector prototipo

Hora de las mediciones

Temperatura de Salida del aire (°C)

Temperatura de entrada del aire (°C)

09:00 a.m. 48.1 31.8

09:15 a.m. 46.6 29.8

09:30 a.m. 43.1 29.6

09:45 a.m. 47.3 29.2

10:00 a.m. 46.8 28.4

10:15 a.m. 50.1 29.4

10:30 a.m. 50.7 30.2

10:45 a.m. 50.4 30.3

11:00 a.m. 49.6 30.3

11:15 a.m. 54.1 30.6

11:30 a.m. 53.9 31.7

11:45 a.m. 55.4 32.1

12:00 m. 55.5 31.2


Medición de la temperatura ambiente.

Para la medición de la temperatura ambiente se utilizó la estación meteorológica de la Universidad

Centroamericana José Simeón Cañas “UCA”. Los datos obtenidos se aprecian en la tabla 2.2:

25

Tabla 2.2: Mediciones de temperatura ambiente para el día 5 de mayo de 2010


Temperatura ambiente (°C)

09:00 a.m. 26.2

09:15 a.m. 26.6

09:30 a.m. 27.0

09:45 a.m. 27.0

10:00 a.m. 27.1

10:15 a.m. 27.4

10:30 a.m. 27.8

10:45 a.m. 27.9

11:00 a.m. 28.2

11:15 a.m. 28.4

11:30 a.m. 28.9

11:45 a.m. 29.2

12:00 m. 29.2

Fuente: [http://cef.uca.edu.sv]

Medición del flujo volumétrico de aire que circula por el colector prototipo.

Las mediciones de flujo volumétrico en el colector se realizaron de forma manual utilizando el

instrumento de medición de flujo volumétrico Fluke 975 Airmeter with Velocity. El instrumento de

medición arroja como resultado directo el flujo volumétrico, una vez se le ingresa el área del ducto

en el cual se mide, además permite obtener un promedio de un número específico de mediciones

realizadas, en la figura 2.9 se muestra una imagen del medidor de flujo utilizado:

Figura 2.9: Fluke 975 Airmeter with Velocity


Los puntos de medición utilizados para medir el flujo de aire en el ducto del colector prototipo se

muestran en la figura 2.10, este ducto se construyó entre la cámara donde ingresa el aire después

de ser calentado y la cámara de secado justo después del ventilador:

http://cef.uca.edu.sv/

26

Figura 2.10: Puntos de medición en el ducto del colector prototipo


Las mediciones se realizaron a la mitad del canal en el sentido vertical y en el sentido horizontal se

realizaron dividiendo el ancho del ducto entre 6, dando una separación de 2.66 cm entre cada

punto.

Para obtener una medición precisa, para cada punto de medición se realizaron 100 mediciones de

flujo de las cuales el promedio es el que se muestra en la tabla 2.3, el tiempo que tomó hacer las

mediciones por punto fue de un minuto.

Las mediciones se realizaron para los mismos intervalos de tiempo, para los cuales, el hydra data

logger estaba almacenando la información de las temperaturas de entrada y de salida, todo esto,

para tener los datos medidos en el mismo tiempo y poder utilizar datos correspondientes. La

medición del flujo volumétrico necesariamente tenía que realizarse para los intervalos de tiempo

establecidos, ya que este cambia por cada variación de temperatura, en la tabla 2.3 se muestran

los flujos volumétricos medidos:

Tabla 2.3: flujo volumétrico que circula por el colector prototipo


Punto de medición P1

(m3/hr)

Punto de medición P2

(m3/hr)

Flujo promedio (m

3/hr)

09:00 a.m. 186.56 102.34 144.45

09:15 a.m. 188.65 100.56 144.61

09:30 a.m. 186.88 99.76 143.32

09:45 a.m. 185.32 101.11 143.22

10:00 a.m. 187.32 99.79 143.56

10:15 a.m. 187.54 98.76 143.15

10:30 a.m. 188.69 95.89 142.29

10:45 a.m. 189.35 96.56 142.96

11:00 a.m. 189.78 94.35 142.07

11:15 a.m. 192.19 93.42 142.81

11:30 a.m. 190.77 94.46 142.62

11:45 a.m. 189.78 94.44 142.11

12:00 m. 190.15 93.35 141.75


27

Medición de la Irradiancia.

Las mediciones de Irradiancia se obtuvieron de la estación meteorológica de la Universidad por

medio del sitio web http://cef.uca.edu.sv, del cual se descargaron los historiales de radiación solar

para el día en el cual se realizaron las mediciones y se obtuvieron los datos para los momentos

específicos en los cuales se realizaron las mediciones. Los resultados se muestran en la tabla 2.4:

Tabla 2.4: Irradiancia solar en Antiguo Cuscatlán para el día 5 de mayo de 2010


Radiación Solar (W/m^2)

09:00 a.m. 564

09:15 a.m. 664

09:30 a.m. 592

09:45 a.m. 757

10:00 a.m. 679

10:15 a.m. 829

10:30 a.m. 875

10:45 a.m. 556

11:00 a.m. 522

11:15 a.m. 727

11:30 a.m. 782

11:45 a.m. 773

12:00 m. 850

Fuente: [http://cef.uca.edu.sv]

Una vez medidas todas las variables necesarias, se procedió a realizar los cálculos para encontrar

los puntos de la curva de eficiencia de los colectores solares, las variables calculadas fueron:

La temperatura media del aire que circula por el colector prototipo

Calor especifico del aire que circula por el colector prototipo a la temperatura media

Flujo másico del aire que circula por el colector prototipo.

Calor útil

Eficiencia

El cociente



28

Cálculo de la temperatura media del aire que circula por el colector prototipo y el calor

específico del mismo a la temperatura media.

La temperatura media del aire que circula por el colector prototipo se obtuvo a partir de la ecuación

2.3:

(ec. 2.3)

Donde:

= Temperatura media del aire que circula por el colector prototipo

= Temperatura de salida del aire del colector

= Temperatura de entrada del aire al colector

El Calor específico se determinó utilizando la temperatura media de cada punto de medición (a

través de la ecuación 2.3) y con la ayuda del software EES (Engineering Equation Solver)

obteniendo los resultados que se aprecian en la tabla 2.5:

Tabla 2.5: Temperatura y calor específico del aire que circula por el colector prototipo


Temperatura Media del

colector (°C)

Calor específico (J/Kg*K)

09:00 a.m. 40.0 1005

09:15 a.m. 38.2 1005

09:30 a.m. 36.4 1005

09:45 a.m. 38.2 1005

10:00 a.m. 37.6 1005

10:15 a.m. 39.8 1005

10:30 a.m. 40.4 1005

10:45 a.m. 40.4 1005

11:00 a.m. 39.9 1005

11:15 a.m. 42.3 1006

11:30 a.m. 42.8 1006

11:45 a.m. 43.7 1006

12:00 m. 43.3 1006


Cálculo del flujo másico del aire que circula por el colector prototipo.

El flujo másico se calculó a partir de las temperaturas medias (Tm colector), que se obtuvieron para

todos los puntos de medición (ver tabla 2.5), con esta temperatura se encontró el volumen

específico del aire a través del software EES. Luego se dividió el caudal obtenido (transformándolo

29

a m3/s) en la medición entre el volumen específico y se obtuvo el flujo másico que circula por el

colector. En la tabla 2.6 se muestran los resultados obtenidos:

Tabla 2.6: Flujo másico de aire que circula por el colector prototipo


Caudal (m

3/hr)

Volumen específico

(m3/kg)

Flujo másico (Kg/s)

09:00 a.m. 144.45 0.8873 0.04522

09:15 a.m. 144.61 0.8822 0.04553

09:30 a.m. 143.32 0.8770 0.04539

09:45 a.m. 143.22 0.8823 0.04509

10:00 a.m. 143.56 0.8804 0.04529

10:15 a.m. 143.15 0.8866 0.04485

10:30 a.m. 142.29 0.8886 0.04448

10:45 a.m. 142.96 0.8884 0.04470

11:00 a.m. 142.07 0.8871 0.04445

11:15 a.m. 142.81 0.8939 0.04438

11:30 a.m. 142.62 0.8953 0.04425

11:45 a.m. 142.11 0.8978 0.04397

12:00 m. 141.75 0.8968 0.04391


Cálculo del calor útil, eficiencia y del cociente .

Una vez que se obtuvieron todas las variables se procedió al cálculo del calor útil, el cual está

definido por la ecuación 2.2 y la eficiencia (ecuación 2.1), los resultados se muestran en la tabla

2.7:

Tabla 2.7: Cálculo de la eficiencia del colector prototipo


Calor útil (J/s)

Eficiencia (Ti colector – Tambiente)/GT

09:00 a.m. 741.40 0.657 0.00999

09:15 a.m. 770.47 0.580 0.00479

09:30 a.m. 614.12 0.519 0.00448

09:45 a.m. 819.94 0.541 0.00290

10:00 a.m. 835.55 0.615 0.00191

10:15 a.m. 933.56 0.563 0.00243

10:30 a.m. 919.78 0.525 0.00271

10:45 a.m. 901.77 0.811 0.00441

11:00 a.m. 864.08 0.828 0.00394

11:15 a.m. 1051.65 0.723 0.00297

11:30 a.m. 986.88 0.631 0.00363

11:45 a.m. 1029.91 0.666 0.00372

12:00 m. 1072.97 0.631 0.00236


30

Análisis de los resultados.

Con los resultados obtenidos se procedió a obtener la curva de funcionamiento característica del

colector solar prototipo, la cual se muestra en la figura 2.11:

Figura 2.11: Curva de funcionamiento característica del colector solar prototipo


En la norma ASHRAE 93-77 no se especifica si se deben utilizar todos los datos obtenidos de las

mediciones por lo que para la generación de la gráfica (Figura 2.11) se descartaron algunos

resultados que presentaron incoherencias con el resto de datos medidos. Los tiempos de medición

descartados fueron los siguientes: 9:00 a.m., 10:45 a.m y 11:00 a.m. Estos datos no considerados

alteraban notablemente la tendencia de la gráfica, pues se salían del rango común presentado por

el resto de mediciones.

Alguna de las causas de la variación de estos resultados, fue la disminución de la radiación solar

para los instantes de medición (ver tabla 2.4). Las mediciones se realizaron cada 15 minutos, se

puede deducir que para el lapso de tiempo antes de realizar las mediciones se tuvo niveles de

radiación altos que calentaron los colectores y en el momento de las mediciones la radiación solar

disminuyó, sin embargo, las temperaturas de salida del aire del colector fueron altas debido al

calentamiento previo que éste tuvo.

De manera general, un colector es mejor (tiene mayor eficiencia) cuanto mayor sea el valor de su

ordenada en el origen y menor el valor de la pendiente de la gráfica generada. Para los resultados

obtenidos no se descarta la posibilidad de que la eficiencia de los colectores sea un poco mayor a

la encontrada, ya que, la generación de este tipo de gráfica para colectores se realiza en

31

condiciones estables de radiación solar, velocidad del viento, temperatura del fluido a la entrada y

temperatura ambiente. Condiciones que no se mantuvieron controladas en las mediciones

realizadas, como puede verse en los resultados obtenidos (Tablas 2.1-2.7). Además de las

pérdidas incontrolables de energía térmica a través de las diferentes proporciones: convección,

radiación y conducción de calor, del colector con su medio externo.

Sin embargo la gráfica obtenida, aun con las deficiencias en las mediciones, presenta buenos

resultados, ya que, la eficiencia para este tipo de colectores de acuerdo a pruebas estándares

muestran resultados similares (ver figura 2.6).

2.2.4. Calentamiento del aire a través del conjunto de colectores solares.

El flujo de aire a través de los colectores se logra mediante dos efectos: el forzado mediante un

ventilador ubicado en el ducto de aire caliente y el movimiento generado por la convección natural

debido a la disminución de la densidad del aire.

La manera en que se da el recorrido del aire a través de los colectores solares es la siguiente:

Primero, aire fresco del ambiente se mezcla con el aire recirculado en el almacén de energía para

ingresar al ducto de aire frío como se observa en la figura 2.12:

Figura 2.12: Recorrido del aire del almacén de energía hacia los colectores solares.


Luego el aire se va calentando a medida recorre los 60 m2 de colectores solares con los que cuenta

la planta, como se observa en la figura 2.13:

32

Figura 2.13: Recorrido del aire a través de los colectores solares.


Al terminar el recorrido por los colectores solares, el aire caliente se hace recircular a través de un

ducto de recalentamiento que se encuentra debajo de los colectores solares, esto se hace para

aprovechar aun más el calor otorgado por la radiación solar, la manera en que se da este

recalentamiento se describe en la figura 2.14:

Figura 2.14: Recorrido del aire a través del ducto de recalentamiento.


33

Al terminar el recalentado, el aire calentado ingresa al ducto de aire caliente para ser impulsado

nuevamente hacia el almacen de energía por el ventilador, como se observa en la figura 2.15:

Figura 2.15: Recorrido del aire caliente hacia el almacén de energía.


2.3. CÁMARAS DE SECADO.

2.3.1. Conceptos básicos sobre las cámaras de secado.

Consiste de una cámara cerrada, aislada térmicamente, donde se coloca el producto que se desea

deshidratar y por la que circula el aire caliente. Este aire es el que se encarga de evaporar el agua

contenida en el producto, humedeciendo el aire interno de dicha cámara, que sale por convección

natural.

Fenómenos físicos que ocurren dentro de la cámara de secado.

Convección natural. El fenómeno de transferencia de calor por convección es un transporte de

energía que se lleva a cabo como consecuencia de la diferencia de temperatura de un fluido, en

este caso: el aire. El movimiento del aire es consecuencia del cambio en la densidad que éste

sufre al estar en contacto con una superficie a mayor temperatura.

34

1. Extracción de la humedad de los productos. En el momento de iniciarse el proceso de secado,

el material contiene cierta cantidad de agua, la cual es indicada, generalmente como un

porcentaje, que se conoce como “Contenido de humedad inicial Xi”.

Xi = (m1-m2)/m1 (ec. 2.4)

Donde:

m1: Masa inicial (Antes del proceso de deshidratado)

m2: Masa final (Después del proceso de deshidratado)

El vapor de agua siempre se encuentra en el aire atmosférico. La cantidad de agua como fracción

decimal del aire seco es conocida como contenido de humedad del aire. Esta cantidad de vapor

que puede retener el aire es limitada y para cada temperatura existe una cantidad máxima de

humedad. El aire caliente es capaz de retener más vapor, mientras que el aire frío puede retener

menos vapor.

2. Calor útil. (Qútil) El calor útil puede definirse como la energía efectiva utilizada por el producto

para ser deshidratado y puede representarse de acuerdo a la ecuación 2.5:

Qútil = ∆m (Cpagua) (T1-T2) (ec. 2.5)

Donde:

∆m = (m1 – m2)

m1 = Masa inicial (Antes del proceso de deshidratado)

m2 = Masa final (Después del proceso de deshidratado)

Cpagua = Calor específico del agua

T1 = Temperatura inicial del producto

T2 = Temperatura de deshidratado promedio

Fases en el proceso de secado.

Existen dos fases bien definidas y diferenciadas en el proceso de secado: la fase inicial que es

muy rápida, en la cual se extrae la humedad de la superficie del producto, y se denomina

“Constante de rapidez de secado”.

35

La segunda fase del proceso es lenta, está representado por la tangente de la curva en el punto C,

a esta parte de la curva se le denomina “Contenido equivalente de humedad (Xc)”. Esto se muestra

en la figura 2.16:

Figura 2.16: Humedad relativa en función del tiempo.

Fuente: [Elaboración propia a partir de E. Morillo de Escobar, 1998, p.80]

A-B Representa un período de rapidez constante del secado durante el cual se evapora

uniformemente la humedad superficial del producto.

B-C Corresponde a un período de secado de rapidez decreciente, donde la humedad interna del

producto fluye hacia la superficie, para luego evaporarse.

Xc Representa un valor para el cual ya no existe transferencia de humedad del producto al aire

dentro de la cámara de secado.

Precauciones con el producto en las cámaras deshidratadoras.

A. Se debe conocer cuál es la temperatura máxima a la que puede ser expuesto el

producto, pues de lo contrario podría perder sus propiedades nutricionales. En la tabla

2.8 se muestra la temperatura máxima de deshidratado y en la tabla 2.9 el tiempo de

secado para algunos productos.

36

Tabla 2.8: Temperaturas de secado de algunos alimentos

GRANOS Temperatura Máxima (°C)

1. Arroz con cáscara, crudo 50

2. Arroz con cáscara, hervido 50

3. Maíz 60-80 VERDURAS Temperatura Máxima (°C)

4. Guisantes (arvejas) 65

5. Coliflor 65

6. Zanahorias 75

7. Patatas dulces 75

8. Patatas 75

9. Verduras con hojas 75

10. Chile 75

11. Yuca 75 FRUTAS Temperatura Máxima (°C)

12. Manzanas 70

13. Uva 70

14. Plátanos 70

15. Guayabas 65

16. Bananos 70

17. Piña 70

18. Mango 70

19. Zapote 70

20. Marañones 70 Fuente: [Elaboración propia a partir de E. Morillo de Escobar, 1998, p.81]

Tabla 2.9: Tiempo de secado de algunos alimentos.

PRODUCTO TIEMPO EN DIAS

Bananos 2.0 - 2.5 (Cortados por mitad longitudinalmente)

Bananos 1.0 (Cortados longitudinalmente en 3 pedazos o tajadas)

Marañones 2.0 (Cortados longitudinalmente en 3 tajadas)

Piña 1.0 (Cortadas en rebanadas delgadas)

Fuente: [Elaboración propia a partir de E. Morillo de Escobar, 1998, p.81]

B. Conocer y evaluar si es necesario tratar el producto con algún tipo de solución, con el

propósito de conservar sus propiedades nutricionales.

C. Tratar higiénicamente las manos y los utensilios de corte.

D. Controlar la temperatura en la cámara de deshidratado, ya que ésta podría superar el

límite al que debe ser sometido el producto.

E. Para lograr un secado más rápido, puede disminuirse el flujo de aire a través de los

conductos de salida y con ello incrementar la temperatura.

F. Una vez extraído el producto de la cámara, se debe evitar el contacto del producto con

cualquier fuente de contaminación.

37

G. Si el producto no va ser consumido antes de dos días después del secado, se hace

necesario empacarlo en bolsas plásticas o cualquier otro tipo de empaque que evite la

rehidratación o algún tipo de contaminación.

2.3.2. Descripción de las cámaras de secado utilizadas por el sistema de deshidratado de

frutas.

La planta en estudio cuenta con cuatro cámaras secadoras (Figura 2.16); estas cámaras en su

interior poseen tres ventiladores, uno para extraer el aire caliente del almacén de energía y dos

para generar reflujo de aire dentro de las cámaras. El reflujo es necesario para homogenizar la

temperatura dentro de la cámara.

Figura 2.17: Cámaras secadoras de fruta del sistema de deshidratado.


Cada cámara secadora contiene 30 bandejas en las cuales se coloca el producto a deshidratar, la

bandejas tienen una dimensión aproximada de 1 x 0.6 m.

Los productos que generalmente se deshidratan son: Mango, piña, coco y fresa. Estos productos

se cortan en rebanadas y se ingresan a las cámaras secadoras para su deshidratación.

2.4. ALMACÉN DE ENERGÍA (CÁMARA DE PIEDRAS)

Ya que uno de los objetivos de este trabajo es mostrar el funcionamiento y eficiencia del almacén

de energía, primero conviene introducir algunos conceptos básicos sobre almacenamiento de

energía:

38

2.4.1. Conceptos básicos sobre el almacenamiento de energía.

El almacenamiento de energía es un proceso complejo realizado por la naturaleza desde miles de

millones de años. Cuando la disponibilidad de energía no se encuentra garantizada para

desarrollar los procesos requeridos en una operación en específico; el almacenamiento de energía

es la única opción para que la operación se desarrolle de manera constante (en periodos de tiempo

largos o cortos).

Los sistemas de almacenamiento de energía en el uso comercial de la actualidad se traducen en

términos generales, en sistemas de almacenamiento mecánicos, eléctricos, químicos, biológicos,

nucleares y térmicos. Un inconveniente de todos los sistemas de almacenamiento de energía es

que sus densidades energéticas son muy inferiores a las que se obtienen de los combustibles

fósiles.

Tipos de almacenamiento de energía.

Existen principalmente cuatro formas de almacenar energía a gran escala:

Química

Mecánica

Eléctrica

Térmica

Almacenamiento de energía por medios químicos.

Es el más utilizado: son las baterías de la mayoría de los dispositivos electrónicos, del sistema de

arranque de los vehículos e inclusive de las instalaciones solares hogareñas. Es una tecnología

contaminante e impráctica, sobre todo a gran escala.

Almacenamiento de energía por medios mecánicos.

Basado en las famosas leyes de Isaac Newton, se está utilizando de maneras cada vez más

ingeniosas (volantes, resortes, etc.) y en principio no perjudican el medioambiente.

39

Almacenamiento de energía por medios eléctricos.

Se basa en capacitores y no es perjudicial para el medioambiente. Fue descubierto en 1745

por Ewald Georg von Kleist. Los capacitores simplemente almacenan electricidad entre dos placas

y pueden recargarse indefinidamente. Su inconveniente es que guarda una baja cantidad energía

por poco tiempo. El desarrollo de ultra-capacitores dará paso a su competencia dentro del mercado

de almacenamiento de energía.

Almacenamiento de energía por medios térmicos.

La energía se puede almacenar térmicamente de dos formas básicas: mediante el calor sensible y

a través del calor latente. El calor sensible utiliza la capacidad térmica específica de un material (c)

y una elevación de temperatura ΔT. El calor latente utiliza el calor asociado con un cambio de fase

del material el cual se produce a temperatura constante.

Dado que el almacenamiento de energía en esta aplicación es a través de lecho de rocas, se le

prestará especial atención al almacenamiento sensible.

Almacenamiento térmico de energía mediante el calor sensible.

En este método el almacenamiento de energía se consigue elevando la temperatura de un medio

líquido, sólido o gaseoso. La capacidad de almacenamiento del medio utilizado viene dado por la

ecuación 2.6:

ifps TTMCQ

(ec. 2.6)

Donde:

sQ= Calor sensible

M = Masa del material

pC = Calor específico del material utilizado

fT = Temperatura final del material

iT = Temperatura inicial del material

En la tabla 2.10 se presentan importantes propiedades físicas de algunos materiales utilizados

para el almacenamiento térmico de energía:

http://en.wikipedia.org/wiki/Ewald_Georg_von_Kleist

40

Tabla 2.10: Capacidad de almacenamiento térmico de algunos materiales

Material

Densidad (ρ)

[g/cm³]

Calor específico (c)

[cal/g °C]

Capacidad térmica

volumétrica (ρc)

[cal/cm³ °C]

Conductividad térmica (K)

[cal/cm °C s]

Difusividad térmica (α=k/ρc) [cm²/s]

Agua 1.00 1.00 1.00 0.0014 0.0014

Hierro (Fundición) 7.60 0.11 0.84 0.1120 0.1340

Granito 2.70 0.19 0.52 0.0065 0.0127

Mármol 2.70 0.21 0.57 0.0055 0.0097

Hormigón 2.47 0.22 0.54 0.0058 0.0107

Ladrillo 1.70 0.20 0.34 0.0015 0.0044

Tierra Seca 1.26 0.19 0.24 0.0006 0.0025

Tierra húmeda 1.70 0.50 0.86 0.0060 0.0070

Fuente: [A. Meinel y M. Meinel, 1982, p.505]

El almacenamiento de energía mediante el calor sensible es simple en su concepto, pero presenta

los inconvenientes del funcionamiento a temperatura variable y de una densidad de

almacenamiento relativamente baja. Además, dependiendo del coeficiente de expansión térmica

del material, pueden darse grandes variaciones de volumen. Las aplicaciones de almacenamiento

por calor sensible se presentan a continuación:

Climatización.

Dentro de las aplicaciones a climatización, son característicos los muros de almacenamiento,

generalmente muros macizos de materiales con elevado calor específico, si bien en algunos casos

se usan sistemas mixtos que incluyen bidones de agua. El funcionamiento en estos casos es

simple: El muro almacena durante el día energía procedente de la radiación solar, energía que se

recupera por la noche, en virtud de la diferencia de temperaturas entre el muro y la habitación.

Almacenamiento de energía en agua.

El agua es el medio ideal de almacenamiento debido a que tiene una gran capacidad calorífica y

por lo tanto mayor capacidad de almacenamiento. El agua puede almacenar casi cinco veces más

energía (4.186 kJ/kg·°C) que la que puede almacenar la misma masa de roca o piedra por ejemplo

(0.88 kJ/kg·°C). Además, el medio de transporte de energía, hacia o de la unidad de

almacenamiento, se hace a través de la misma agua. Esta también puede utilizarse en forma

directa o mediante el uso de cambiadores de calor y de manera continua a lo largo del día.

Algunas desventajas que se tienen al utilizar el agua como medio de almacenamiento, es que se

necesitan depósitos que generalmente son grandes y caros, se oxidan si son de metal y hay

41

grandes pérdidas de calor por conducción y convección que tienen que ser evitadas utilizando

aislantes. Otro aspecto es que la energía es liberada a diferentes temperaturas.

Almacenamiento térmico de energía utilizando lecho de rocas

Para almacenar calor puede utilizarse una especie de caldera horizontal o vertical de

almacenamiento, ya que no tiene una importancia especial la separación por gravedad. En la figura

2.18 a continuación puede verse un depósito horizontal de esta clase.

Figura 2.18: Modelo de depósito de almacenamiento térmico horizontal relleno de piedras


El aire de entrada caliente transfiere su calor a las rocas o piedras saliendo a menor temperatura

del depósito. Cuando el tanque se encuentre al máximo de capacidad térmica toda su longitud

tiene la temperatura de entrada. Cuando ha de calentarse aire a partir de este calor almacenado,

se invierte la dirección de flujo y el aire frío de entrada arrastra el calor de las piedras saliendo a

una temperatura de almacenamiento hasta que se ha eliminado la mayor parte del calor. En la

figura 2.19 puede verse un perfil tiempo-temperatura típico para un depósito de esta clase.

Figura 2.19: Perfil típico tiempo-temperatura de los depósitos de almacenamiento térmico de

piedras


42

En la figura 2.18 se observa que el depósito de roca está lleno con material de tamaños diferentes.

Esto no sería el caso de un depósito bien construido. Entonces las piedras deberían ser de un

tamaño razonablemente uniforme. Esto evita el fenómeno de aglomeración, que puede producirse

cuando las partículas de tamaño menor rellenan los intervalos huecos existentes entre las piedras

mayores. El tamaño de piedra ideal está comprendido entre dos y siete centímetros. Si las piedras

son demasiado pequeñas pondrán impedimentos al flujo de aire y se necesitará un ventilador de

mayor potencia. Si las piedras son demasiado grandes el tiempo necesario para inyectar y eliminar

el calor resultará suficientemente largo para ampliar la transición de temperatura de T2 a T1.

Un depósito lleno con botellas de agua también puede proporcionar un perfil de tiempo-

temperatura como el de la figura mostrada.

Ventajas de utilizar el lecho de rocas como almacenamiento de energía.

En nuestro país existe una alta disponibilidad del recurso y además se pueden obtener a un costo

bajo comparado con otros medios de almacenamiento de energía como son las sales fundidas.

Facilidad de instalación: solo se requiere un cuarto con la estructura necesaria para soportar las

piedras. No requiere mayor ingeniería a comparación del almacenamiento por agua que utiliza

intercambiadores de calor y depósitos para almacenar el agua, etc.

Desventajas de utilizar el lecho de rocas como almacenamiento de energía.

Almacenamiento de energía: el almacenamiento es menos eficiente que el almacenamiento por

agua o por sales fundidas.

Suciedad en el fluido de trabajo: El flujo de aire por el lecho de piedras conlleva a arrastrar

pequeñas partículas de las mismas piedras y ensucia el sistema lo que puede traer consecuencias

a largo plazo del mismo.

2.4.2. Almacenamiento y uso de la energía térmica en el sistema de deshidratado de frutas.

A continuación se describen las tres funciones que realiza el sistema de almacenamiento de

energía por lecho de piedras durante la operación del sistema de deshidratado de frutas.

A. Calentamiento del almacén de energía. El aire proveniente de los colectores solares recorre

todo el lecho de piedras cediendo su energía a las piedras, hasta llegar al sistema de ductos

que permite al aire volver a realizar el recorrido por los colectores solares. Esta función se

43

realiza mientras las cámaras secadoras se encuentran desactivadas, como se ilustra en la

figura 2.20:

.

Figura 2.20: Calentamiento del sistema de almacenamiento de energía


B. Operación normal durante las horas de sol. Cuando las cámaras secadoras están activadas

y todavía se cuenta con energía solar suficiente para calentar el aire haciéndolo pasar por los

colectores solares, el sistema de almacenamiento de energía puede realizar la doble función

de acumular calor por el aire que pasa por los colectores solares y a su vez ceder calor hacia

las cámaras secadoras, esto se ilustra en la figura 2.21:

Figura 2.21: Operación normal del sistema de almacenamiento de energía


44

C. Recuperación de la energía almacenada. Cuando ya no se cuenta con la suficiente energía

solar para calentar el aire y las cámaras secadoras continúan activadas, el aire toma el calor

acumulado por el lecho de piedras para realizar las funciones de deshidratado, esto se

describe en la figura 2.22:

Figura 2.22: Recuperación de la energía almacenada


De acuerdo a los flujos volumétricos con los que se ha diseñado el circuito de calentamiento de

aire, aun cuando todas las cámaras secadoras se deseen utilizar, siempre habrá un flujo de aire

hacia la cámara de piedras.

La cámara de piedras, así como todos los ductos por donde circula el aire caliente se encuentran

aislados térmicamente de las condiciones exteriores. Aunque cuando el almacenamiento es para

períodos de tiempo cortos, la conductividad térmica del lecho en las direcciones radiales es baja.

Para las aplicaciones de energía solar, los lechos de rocas, tienen varias características

interesantes, como:

El coeficiente de transferencia de calor entre el aire y el material sólido es alto.

El coste del material de almacenamiento es bajo.

Cuando no está circulando aire por el lecho, La conductividad térmica del mismo es baja.

Las partes que componen una unidad de este tipo de lecho son:

El depósito donde estarán contenidas las piedras.

Una estructura para contener y apoyar el lecho.

45

Distribuidores de aire para el flujo en ambas direcciones, que guíen el flujo y reduzcan al

mínimo las caídas de presión.

Este componente no es indispensable para el funcionamiento del sistema, pero puede incrementar

la capacidad de operación de la planta cuando la energía radiante ya no se encuentre disponible.

La disposición de la roca en la cámara es en forma de capas, un esquema puede verse en la figura

2.23:

Figura 2.23: Modelo del almacén de energía de la planta.


De acuerdo al diseño del almacén no todo se encuentra lleno de rocas, ya que se permite el

ingreso de aire en la parte superior de la cámara hasta que alcanza una presión determinada,

dando como resultado una distribución forzada del aire por toda el área superior hacia abajo.

Esta distribución del aire genera un calentamiento uniforme del lecho de rocas, lo cual, garantiza

que el almacén de energía se utiliza eficientemente. La capacidad de almacenamiento de energía

depende de la energía radiante. El sistema utilizado en la planta de deshidratación tiene la opción

de distribuir el aire caliente: utilizando las cámaras secadoras y almacenamiento de energía al

mismo tiempo. Sin embargo, cuando este sea el caso el almacén tardará mucho más tiempo para

guardar un valor específico de energía térmica.

El aire de entrada caliente transfiere su calor a las rocas o piedras saliendo a menor temperatura

del depósito. Cuando la cámara se encuentre al máximo de capacidad térmica toda su longitud

deberá tener la temperatura de entrada. Cuando ha de calentarse aire a partir de este calor

almacenado, se invierte la dirección de flujo y el aire frío de entrada arrastra el calor de las piedras

saliendo a una temperatura de almacenamiento hasta que se ha eliminado la mayor parte del calor.

46

Descripción del flujo de aire a lo largo de todo el sistema.

El aire ingresa a los colectores desde la cámara de piedras y se desplaza a lo largo de todos los

colectores solares, calentándose. Luego ingresa a un ducto (interno en el colector) el cual recircula

este aire caliente aumentando la transferencia de calor, posteriormente, a través de la operación

del ventilador central se envía de nuevo el aire a la cámara de piedras para almacenar la energía

térmica que transporta (cuando no se hace uso de las cámaras secadoras).

El ventilador central se mantiene funcionando siempre y cuando la temperatura del aire que circula

por los colectores sea superior a la temperatura del aire que se encuentra en la cámara de piedras

en 4°C. La función del ventilador central es promover el flujo, dar al aire suficiente presión para

hacer el recorrido a través de los ductos, los colectores y la cámara de piedras.

Un esquema global de todo el sistema se puede observa en la figura 2.24, donde además se

describen los diferentes recorridos que toma el aire a través del sistema:



Cuando se utilizan las cámaras secadoras, una parte del aire que ha recorrido los colectores se

inyecta a éstas y la otra parte a la cámara de piedras. Cada cámara secadora cuenta con un

ventilador para extraer el aire de la cámara de piedras y dos ventiladores de reflujo cuya función es

la de homogenizar la temperatura dentro de la cámara. El aire caliente que va hacia las cámaras

secadoras, una vez ha pasado por la cámara donde ha sido requerido, se evacua retirando la

humedad del producto que ha sido sometido a deshidratación.

47

El aire, como se aprecia en la figura 2.24, para salir o entrar a la cámara de piedras necesita pasar

a través de válvulas (dámper) accionados mecánicamente por una diferencia de presión.

Cuando se ha almacenado energía térmica en la cámara de piedras y se desea deshidratar

producto, puede hacerse uso de la energía almacenada (generalmente cuando la energía radiante

es poca o nula). Si se utiliza la energía almacenada, el ventilador central no trabaja, únicamente los

ventiladores que succionan el aire caliente de la cámara de piedras y lo depositan en las cámaras

de deshidratado utilizadas y los ventiladores de reflujo si desea. En este caso el aire frío

succionado del ambiente hace un recorrido ascendente calentándose a través del lecho de rocas

para posteriormente ingresar a las cámaras de secado. Un esquema en 3D se muestra en la figura

2.25:



2.5. DUCTOS PARA EL TRANSPORTE DE AIRE.

2.5.1. Descripción de los ductos para transporte de aire utilizados por el sistema de

deshidratado de frutas.

Estos elementos son los utilizados para el transporte del aire en el circuito del sistema. Los ductos

son de sección rectangular, aislados térmicamente del exterior con un recubrimiento de poliuretano

expandido. En la figura 2.26 se muestra la forma del ducto que conduce el aire recalentado del

almacén de energía hacia las cámaras secadoras:

48

Figura 2.26: Modelo del ducto que conduce el aire caliente hacia las secadoras.


En la figura 2.27 se muestra la forma del ducto que conduce el aire humedo (saliendo de las

secadoras) hacia el exterior:

Figura 2.27: Modelo del ducto que conduce el aire húmedo hacia el exterior.


El movimiento del aire por los ductos es consecuencia de la acción del ventilador central, quien

tiene la función de proporcionarle al aire la suficiente presión para generar el recorrido del aire por

todo el circuito. Y de los ventiladores que crean el flujo de aire interno dentro de cada cámara de

secado. En la figura 2.28 se muestra un esquema de uno de los ventiladores utilizados para crear

el flujo de aire interno dentro de las cámaras de secado y en la figura 2.29 se muestra la curva de

funcionamiento de dicho ventilador:

Figura 2.28: Modelo de ventilador utilizado para crear el flujo de aire interno dentro de las cámaras

de secado.

Fuente: [Elaboración propia a partir de ebmpapst datasheet]

49

Figura 2.29: Curva de funcionamiento de un ventilador utilizado para crear el flujo de aire interno

dentro de las cámaras de secado.

Fuente: [Elaboración propia a partir de ebmpapst datasheet]

51

CAPITULO 3. MEDICIÓN DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO DEL SISTEMA DE

DESHIDRATADO DE FRUTAS.

Para conocer las condiciones a las cuales trabaja el sistema de deshidratado de frutas, se deben

realizar mediciones de las variables que intervienen en el rendimiento del sistema, estas variables

son:

Las diferentes presiones que se tienen en el sistema.

Los volúmenes de aire que se manejan en el sistema.

La temperatura a la cual entra el aire a las cámaras de secado.

La humedad relativa del aire que entra a las cámaras de secado.

La distribución de temperaturas que se tiene en el almacén de energía.

La obtención de la curva de funcionamiento característica de los colectores solares del

sistema.

A continuación se describen las diferentes metodologías que se siguieron para realizar cada una

de las mediciones, una breve descripción de los instrumentos que se utilizaron para realizar dichas

mediciones y además se presentan los resultados de las mediciones realizadas.

3.1. MEDICIÓN DE LAS PRESIONES EN EL SISTEMA.

3.1.1. Metodología.

Para realizar la medición de las diferentes presiones que se tienen a lo largo del sistema primero

se seleccionaron los puntos del sistema donde es crítico conocer a qué presión está el aire, estos

puntos del sistema son:

Punto de medición A: En el ducto que conduce el aire caliente de los colectores solares hacia el

almacén de energía (antes del ventilador).

Punto de medición B: En el ducto que conduce el aire caliente de los colectores solares hacia el

almacén de energía (después del ventilador).

Punto de medición C: en la parte superior del almacén de energía

Punto de medición D: En el ducto que conduce el aire fresco hacia los colectores solares (luego

de pasar por el almacén de energía.

52

En la figura 3.1 se muestra la ubicación de los puntos de medición con la ayuda del modelo en 3

dimensiones de la planta:

Figura 3.1: Esquema de ubicación de los puntos de medición de presión en el sistema.


Para realizar las medidas de presión en el sistema se utilizó un manómetro digital NEHS. El

aparato registra la presión manométrica en los puntos de medición y la diferencia de presión que

existe entre los 2 puntos medidos. En la figura 3.2 se presenta una imagen del manómetro

utilizado:

Figura 3.2: Manómetro Digital.


53

Para poder realizar las mediciones en los diferentes ductos se hizo un agujero en los puntos de

medición ya designados para poder colocar los extremos de los tubos flexibles, estos tubos se

introdujeron hasta la mitad de la profundidad de los ductos para poder tener una lectura correcta de

la presión del aire en los ductos. Cabe aclarar que el agujero era de un diámetro tal que no

permitía que se escapara aire del sistema.

Para realizar la medición de presión en el almacén de energía se hizo un agujero en el techo del

mismo y desde ahí se introdujo el tubo flexible del manómetro para obtener las lecturas de presión

dentro del almacén.

3.1.2. Resultados de las mediciones de presión en el sistema.

Luego de definir los puntos de medición del sistema se procedió a realizar las mediciones con el

manómetro digital, todas las mediciones se realizaron con el ventilador central del sistema

activado. En la tabla 3.1 se presentan los resultados obtenidos en las mediciones:

Tabla 3.1: Resultados de las mediciones de presión en el sistema.

Punto de medición

Presión

manométrica

(pa)

Punto de medición A: En el ducto que conduce el aire caliente de los

colectores solares hacia el almacén de energía (antes del ventilador) -38

Punto de medición B: En el ducto que conduce el aire caliente de los

colectores solares hacia el almacén de energía (después del ventilador). 14

Punto de medición C: Dentro del almacén de energía en el espacio vacío

que se encuentra en la parte superior del mismo. (Sin ninguna cámara

secadora activada).

10.5

Punto de medición D: En el ducto que conduce el aire fresco hacia los

colectores solares (luego de pasar por el almacén de energía). 2


En la figura 3.3 se presenta un esquema del sistema con los resultados obtenidos de las

mediciones de presión en el sistema:

54

Figura 3.3: Esquema del sistema con las presiones obtenidas en las mediciones.


3.2. MEDICIÓN DE LOS VOLÚMENES DE AIRE QUE SE MANEJAN EN EL SISTEMA.


Para obtener el flujo volumétrico de aire que circula por los diferentes ductos de la instalación se

utilizó un anemómetro de molinete marca testo modelo 416 y la siguiente ecuación:

(ec. 3.1)

El anemómetro de molinete utilizado tiene integrada una sonda de molinete integrada con una

empuñadura telescópica lo que hace que pueda desplazarse hasta una distancia de 890 mm. El

anemómetro mide las velocidades de flujo y además puede proporcionar promedios por tiempo.

Esto en el presente caso resultó de mucha utilidad ya que la velocidad del aire en los ductos de la

instalación varia constantemente por lo que se estableció que para la toma de resultados; el

resultado de cada medición seria el promedio de 10 muestras tomadas en un lapso de 1 minuto de

tiempo.

En la figura 3.4 se muestra una imagen del anemómetro de molinete utilizado para realizar las

mediciones:

55

Figura 3.4: Anemómetro de molinete Testo 416.


La metodología que se siguió para ubicar los puntos de medición en los ductos del sistema fue la

siguiente:

A. Las mediciones se realizaron a exactamente la mitad de la altura de los canales.

B. Se realizaron mediciones en 9 puntos de los ductos. Estos 9 puntos se obtuvieron con las

siguientes ecuaciones:

Para el ancho del ducto se obtuvieron 3 puntos:

(ec. 3.2)

(ec. 3.3)

(ec. 3.4)

A lo profundo del canal se obtuvieron 3 puntos por posición (1, 2 y 3):

56

En la figura 3.5 se presenta la distribución de los puntos de medición a lo largo de los ductos:

Figura 3.5: Distribución de los puntos de medición de velocidad del aire.


El promedio de las 9 mediciones de velocidad obtenidas a lo largo del canal es el utilizado para

obtener el flujo volumétrico de aire del canal.

3.2.2. Resultados de las mediciones de velocidad del aire y flujo volumétrico en el sistema.

Medición 1: medición realizada en el ducto que conduce el aire caliente de los colectores

solares hacia el almacén de energía, la medición se realizó con el ventilador central encendido

y las 4 cámaras secadoras desactivadas (Figura 3.6)

Figura 3.6: Ubicación del ducto de entrada del aire al almacén de energía


Dimensiones del ducto:

Área interna del ducto: 0.5 m x 0.55 m

Altura del ducto: 1.28 m

57

En la tabla 3.2 se muestran los puntos donde se realizó la medición 1 (las mediciones fueron

realizadas a 0.64 m de altura):

Tabla 3.2: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto de entrada del aire al almacén de

energía

Ancho del ducto Profundidad del ducto

Posición 1 8.33 cm Punto A 10.8 cm

Posición 2 25 cm Punto B 27.5 cm

Posición 3 41.67 cm Punto C 44.2 cm


En la tabla 3.3 se presentan los resultados de las mediciones de velocidad del aire obtenidas en el

ducto de entrada del aire al almacén de energía:

Tabla 3.3: Velocidades del aire medidas en el ducto de entrada del aire al almacén de energía

Punto A (10.8 cm)

Punto B (27.5 cm)

Punto C (44.2 cm)

Posición 1 (8.33 cm) 3.4 m/s 1.4 m/s 1.8 m/s

Posición 2 (25 cm) 2.8 m/s 2.7 m/s 2.7 m/s



En la figura 3.7 se muestra una vista en planta del ducto de entrada del aire al almacén de energía

y las velocidades que se obtuvieron en los puntos de medición designados:

Figura 3.7: Vista en planta del ducto de entrada del aire al almacén de energía con los resultados

de las mediciones de velocidad realizadas


Con los resultados de las mediciones realizadas y utilizando la ec. 3.1 se obtuvo el flujo

volumétrico de aire presente en el ducto que conduce el aire caliente de los colectores solares

hacia el almacén de energía:

58

Promedio de velocidad de flujo obtenido: 2.93 m/s

Área del ducto: 0.275 m2

Flujo volumétrico de aire =

Medición 2: medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia los colectores solares, la

medición se realizó con el ventilador central encendido y las 4 cámaras secadoras

desactivadas (Figura 3.8):

Figura 3.8: Ubicación del ducto que conduce el aire hacia los colectores solares







Tabla 3.4: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto que conduce el aire hacia los

colectores solares


Posición 1 6.7 cm Punto A 10 cm

Posición 2 20 cm Punto B 29.5 cm

Posición 3 33.3 cm Punto C 49 cm



ducto que conduce el aire hacia los colectores solares:

59

Tabla 3.5: Velocidades del aire medidas en el ducto que conduce el aire hacia los colectores

solares

Punto A (10 cm)

Punto B (29.5 cm)

Punto C (49 cm)


Posición 2 (20 cm) 2.1 m/s 2.3 m/s 2.7 m/s



En la figura 3.9 se muestra una vista en planta del ducto que conduce el aire hacia los colectores

solares y las velocidades que se obtuvieron en los puntos de medición designados:

Figura 3.9: Vista en planta del ducto que conduce el aire hacia los colectores solares con los

resultados de las mediciones de velocidad realizadas



volumétrico de aire presente en el ducto que conduce el hacia los colectores solares:




Medición 3: medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras, la medición se realizó con el ventilador central encendido y las 4 cámaras

secadoras desactivadas (Figura 3.10):

60

Figura 3.10: Ubicación del ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras







Tabla 3.6: Puntos de medición de velocidad del aire en el ducto que conduce el aire hacia las

cámaras secadoras


Posición 1 6.4 cm Punto A 7 cm

Posición 2 19.25 cm Punto B 21 cm

Posición 3 32.1 cm Punto C 35 cm



ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras:


secadoras

Punto A (7

cm) Punto B (21

cm) Punto C (35 cm)





61

En la figura 3.11 se muestra una vista en planta del ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras y las velocidades que se obtuvieron en los puntos de medición designados:


resultados de las mediciones de velocidad realizadas



volumétrico de aire presente en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras:




Medición 4: medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras,

la medición se realizó con el ventilador central encendido y las 4 cámaras secadoras activadas

(Figura 3.10):

Con esta medición se obtuvo el flujo completo de aire que requieren las 4 cámaras secadoras para

funcionar simultáneamente.


ducto que conduce el aire hacia las cámaras secadoras (con las 4 cámaras secadoras activadas):

62


secadoras (con las 4 cámaras secadoras activadas)

Punto A (7 cm)

Punto B (21 cm)

Punto C (35 cm)





En la figura 3.12 se muestra una vista en planta del ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras y las velocidades que se obtuvieron en los puntos de medición designados:


resultados de las mediciones de velocidad realizadas (con las 4 cámaras secadoras activadas)



volumétrico de aire presente en el ducto que conduce el hacia los colectores solares:




63

En la tabla 3.9 se muestran los flujos volumétricos de aire que se manejan en el sistema:

Tabla 3.9: Flujos Volumétricos de aire que se manejan en el sistema

Punto de medición en el sistema

Flujo

Volumétrico

obtenido (m3/hr)

medición realizada en el ducto que conduce el aire caliente de los

colectores solares hacia el almacén de energía, la medición se realizó con

el ventilador central encendido y las 4 cámaras secadoras desactivadas)

2904

medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia los colectores

solares, la medición se realizó con el ventilador central encendido y las 4

cámaras secadoras desactivadas

2209

medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras, la medición se realizó con el ventilador central encendido y las

4 cámaras secadoras desactivadas

1216

medición realizada en el ducto que conduce el aire hacia las cámaras

secadoras, la medición se realizó con el ventilador central encendido y las

4 cámaras secadoras activadas

1624


En la figura 3.13 se presenta un esquema del sistema con los resultados obtenidos de las

mediciones de flujo volumétrico en el sistema:

Figura 3.13: Esquema del sistema con los flujos volumétricos de aire obtenidos en las mediciones.


64

3.3. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA A LA CUAL ENTRA EL AIRE

A LAS CÁMARAS DE SECADO.


Para realizar las mediciones de la temperatura y humedad relativa a la cual entra el aire a las

cámaras de secado se utilizó higrómetros con sensores que están instalados dentro de cada una

de las 4 cámaras de secado con que cuenta el sistema, estos sensores tienen pantallas digitales

que muestran:

La temperatura al interior de la cámara de secado

La temperatura al exterior de la cámara de secado

La humedad relativa del aire al interior de la cámara de secado

La desventaja de estos sensores es que no permiten el almacenamiento de datos y solo registran

los datos medidos en tiempo real, en la figura 3.14 se muestra un modelo de este tipo de medidor

de humedad y temperatura:

Figura 3.14: Higrómetro Rs para medir temperatura y humedad relativa del aire.


3.3.2. Resultados de las mediciones de temperatura y humedad relativa a la cual entra el aire

a las cámaras de secado.

Las mediciones obtenidas de temperatura y humedad relativa en promedio fueron:

Temperatura dentro de las cámaras: 51.6ºC

Humedad relativa dentro de las cámaras: 29%

65

El monitoreo de las condiciones dentro de la cámara de secado es importante ya que con este se

controla la calidad del deshidratado de la fruta y además permite observar si las condiciones del

sistema son aptas para poder realizar el proceso de deshidratado dependiendo de qué temperatura

y qué humedad relativa se tenga dentro de las cámaras de secado.

3.4. MONITOREO Y COMPORTAMIENTO DE LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DEL

ALMACÉN DE ENERGÍA.

El monitoreo de las temperaturas en el interior del almacén de energía se realizó con el objetivo de

conocer su capacidad de almacenamiento de energía y la distribución del flujo de aire en la cámara

de piedras, tanto cuando el flujo de aire caliente proveniente de los colectores únicamente se hace

pasar por el almacén de energía; como cuando simultáneamente se aporta aire caliente a la

cámara de piedras y a las cámaras de secado.


La evaluación del sistema consistió en realizar mediciones de temperatura dentro de la cámara de

piedras, con una distribución de puntos de medición que permitiera validar los objetivos

mencionados. Las mediciones de temperatura en el sistema se realizaron mediante termopares.

Se ubicaron 6 termopares en total, cinco dentro del lecho de rocas separadas uno de otro 25 cm y

con una profundidad de 30 cm dentro de las rocas y una en la entrada del aire caliente a la cámara

de piedras.

Un esquema de la distribución de los puntos de medición se presenta en la figura 3.15:

Figura 3.15: Esquema de la distribución de los puntos de medición en el almacén de energía.


66

Para garantizar que los termopares ingresaban a la cámara de piedras la distancia requerida, se

perforó la pared del almacén (ver figura 3.16) y los termopares se ingresaron en pequeños tubos

de hierro para posteriormente ingresarlas al lecho de roca (ver figura 3.17).

Figura 3.16: Ubicación de los termopares en el almacén de energía.


Figura 3.17: Termopar dentro de tubo de hierro.


Los termopares, a su vez, se conectaron al dispositivo de almacenamiento automático de datos

Hydra data logger, el cual almacenó las temperaturas censadas por los termopares en intervalos

de 2.5 minutos durante los días de evaluación. En la figura 3.18 se muestra una imagen del

almacén de datos Hydra data logger:

Figura 3.18: Hydra data logger.


67

El lapso de tiempo durante el cual se realizó el monitoreo de las temperaturas en el almacén de

energía fue de 4 días (del 08/05/2010 al 11/05/2010), durante estos 4 días el sistema fue sometido

a diferentes condiciones para así conocer como es el comportamiento térmico del almacén de

energía a dichas condiciones.

3.4.2. Comportamiento del almacén de energía.

Para estudiar el comportamiento del almacén de energía se monitoreó las temperaturas en el

interior del almacén de energía llevando un control de las condiciones a las cuales fue sometido el

sistema durante los días de evaluación, para esto se construyó una bitácora donde se reportó: la

duración de la actividad realizada por el sistema así como las condiciones de radiación solar para

ese momento.

La evaluación se dividió en las siguientes etapas y períodos:

Tabla 3.10: Etapas de la evaluación del comportamiento del almacén de energía

Número de Etapa

Nombre de la Etapa Intervalo de duración de la

Etapa

1 Calentamiento inicial del almacén de energía. De la 1:30 pm a las 4:00 pm

del 08/05/2010

2 Enfriamiento natural del almacén de energía. De las 4:00 pm del

08/05/2010 a las 8:00 am del 09/05/2010

3 Operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado (para calentar el almacén

de energía).

De las 8:15 am a las 3:30 pm del 09/05/2010

4 Segundo enfriamiento natural del almacén de

energía.

De las 3:30 pm del 09/05/2010 a las 8:00 am del

10/05/2010

5 Segunda operación del sistema sin la

utilización de las cámaras de secado (para calentar el almacén de energía).

De las 8:00 am a las 3:00 pm del 10/05/2010

6 Operación de las cámaras de secado para

descargar energía del almacén.

De las 6:00 pm del 10/05/2010 a las 7:45 am del

11/05/2010

7 Operación del sistema a plena capacidad. De las 7:45 am a las 6:00 pm

del 11/05/2010


68

Etapa 1: Calentamiento inicial del almacén de energía

Esta etapa consistió en activar el sistema sin utilizar las cámaras de secado con el objetivo de

calentar el almacén de energía. La duración de esta etapa de evaluación fue de la 1:30 pm a las

4:00 pm del día 08/05/2010.

Las condiciones de radiación solar que se tuvieron el día 8/05/2010 se obtuvieron de la estación

meteorológica de la UCA (cabe aclarar que aunque las condiciones de radiación solar se

obtuvieron de la estación meteorológica de la UCA estas condiciones son similares a las obtenidas

en el lugar donde se encuentra instalado el sistema). A continuación se muestran dichas

condiciones de radiación solar:

Figura 3.19: Condiciones de radiación solar del día 8/05/2010

Fuente: [www.cef.uca.edu.sv]

La máxima Irradiancia que se tuvo ese día fue de 881 W/m2 y se dio a las 12:48 pm.

En la figura 3.20 se muestran de manera gráfica las distribuciones de temperaturas que se

obtuvieron en el almacén de energía para el periodo de duración de la etapa 1 de la evaluación del

comportamiento del almacén:

69

Fig

ura

3.2

0: D

istr

ibució

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pera

tura

s o

bte

nid

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el día

08/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

labora

ció

n p

rop

ia]:

70

De las distribuciones de temperaturas obtenidas en la etapa de evaluación del calentamiento inicial

del sistema (Etapa 1) mostradas en la figura 3.20 se obtienen las siguientes observaciones:

1. El almacén de energía, a pesar de no haber estado en operación durante la mañana, ha

mantenido las temperaturas relativamente altas ya que se observa que las temperaturas

iniciales del mismo varían desde 39ºC (parte inferior del almacén) hasta los 65ºC (parte

superior del almacén). Esto indica una buena condición de aislamiento térmico del mismo

lo que redunda en menos pérdidas de calor del sistema.

2. Cuando se activa el ventilador central y se permite la circulación del aire caliente de los

colectores solares hacia el almacén de energía se puede observar como el almacén de

energía va ganando energía del aire caliente ya que las diferentes curvas de temperatura

van aumentando. Consecuentemente la curva de temperatura del aire caliente va

disminuyendo ya que este va entregando el calor al almacén de energía. (Al final del

intervalo de tiempo mostrado en la figura 3.20 se puede observar como todas las curvas de

temperatura han aumentado aproximadamente unos 10ºC con respecto a las temperaturas

iniciales de cada punto de medición y además se observa como la temperatura del aire

caliente proveniente de los colectores solares disminuyó de 70ºC (principio de la medición)

hasta aproximadamente unos 57ºC (desconexión del ventilador)). Esta transferencia de

energía se da hasta que la diferencia de temperaturas entre los colectores solares y el

almacén de energía llega a menos de 4ºC, momento en el cual el ventilador central se

desconecta automáticamente. Esto se produce para evitar que en vez de entregar calor al

almacén de energía, se le quite para enviarlo hacia los colectores solares.

Etapa 2: Enfriamiento natural del almacén de energía.

Durante esta etapa el sistema permaneció desactivado para observar como varían las

temperaturas en el almacén de energía durante la noche hasta el momento en que arranca

automáticamente el sistema. La duración de esta etapa de evaluación fue de las 4:00 pm del

08/05/2010 a las 8:00 am del 09/05/2010.




71

Fig

ura

3.2

1: D

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01

0 a

l 09/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

labora

ció

n p

rop

ia]

72

De las distribuciones de temperaturas obtenidas en la etapa de evaluación del enfriamiento natural

del almacén de energía (Etapa 2) mostradas en la figura 3.21 se obtienen las siguientes

observaciones:

1. En este intervalo se puede observar cómo se comporta el almacén durante la noche y con

los ventiladores desactivados. Durante este lapso de tiempo el almacén mantiene su

energía almacenada de una manera bastante efectiva ya que, como se observa en las

curvas de temperatura, solo la zona inferior del almacén baja de temperatura

(aproximadamente unos 15ºC durante toda la noche). Esto se da ya que en la parte inferior

del almacén existe un vacío por donde ingresa aire fresco, por lo que el calor acumulado

por las piedras ubicadas en la parte inferior se mezcla con el aire ambiente de la noche y

genera esta reducción en la temperatura.

2. Luego las otras curvas de temperatura permanecen prácticamente constantes. Esto

demuestra que el aislamiento del almacén de energía funciona correctamente ya que no

permite que se escape calor del mismo y además se comprueba la baja conductividad que

tienen las piedras del almacén de energía ya que siempre se observa una división de

temperaturas según la zona del almacén y no se da una homogeneización de las

temperaturas en el almacén de energía.

Etapa 3: Operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado (para calentar el

almacén de energía).

Esta etapa consistió en la operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado, es

decir, en esta etapa se monitoreó las temperaturas del almacén desde que se activó

automáticamente el ventilador central hasta el momento en que este se desactivó. La duración de

esta etapa de evaluación fue de las 8:15 am a las 3:30 pm del 09/05/2010.






73



La máxima Irradiancia que se tuvo ese día fue de 891 W/m2 y se dio a las 11:42 am.




74

Fig

ura

3.2

3: D

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el día

09/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

labora

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n p

rop

ia]

75

De las distribuciones de temperaturas obtenidas en la etapa de evaluación de la operación del

sistema sin la utilización de las cámaras de secado (Etapa 3) mostradas en la figura 3.23 se

obtienen las siguientes observaciones:

1. Durante la mañana, a medida los colectores solares se calientan, van calentando el aire

que entra al almacén de energía, como se puede observar con la curva del aire caliente

(termocupla 6); en el lapso de las 8 de la mañana hasta la 1 de la tarde la temperatura del

aire caliente aumenta de 48ºC a unos 72ºC aproximadamente.

2. También se observa que durante este mismo periodo de tiempo (de las 8 de la mañana a

la 1 de la tarde) las demás curvas de temperatura van en aumento junto con la curva del

aire caliente producto del calor que recibe el almacén tanto del ambiente como el calor que

le otorga el aire caliente proveniente de los colectores solares.

3. Luego en el lapso de la 1 de la tarde hasta aproximadamente las 3:30 de la tarde, la

radiación solar va disminuyendo lo que hace que los colectores solares proporcionen

menos calor al aire caliente y como el aire siempre se encuentra cediendo su calor al

almacén de energía, su temperatura va disminuyendo. Se observa que en este lapso de

tiempo la temperatura del aire caliente baja de unos 72ºC a unos 64ºC hasta que se da la

desconexión del ventilador central.

4. En el lapso de tiempo de la 1 de la tarde hasta aproximadamente las 3:30 de la tarde, las

demás curvas de temperatura van en un aumento gradual debido al calor que el aire

caliente cede a las piedras mientras circula por el almacén de energía.

Etapa 4: Segundo enfriamiento natural del almacén de energía.

Durante esta etapa el sistema permaneció desactivado para observar como varían las

temperaturas en el almacén de energía durante la noche hasta el momento en que arranca

automáticamente el sistema. La duración de esta etapa de evaluación fue de las 3:30 pm del

09/05/2010 a las 8:00 am del 10/05/2010




76

Fig

ura

3.2

4: D

istr

ibució

n d

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pera

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9/0

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01

0 a

l 10/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

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ció

n p

rop

ia]

77

De las distribuciones de temperaturas obtenidas en la etapa de evaluación del segundo

enfriamiento natural del almacén de energía (Etapa 4) mostradas en la figura 3.24 se obtienen las

siguientes observaciones:

1. Al igual que el intervalo de tiempo observado en la etapa 2 (figura 3.21), durante la noche

mientras los ventiladores se encuentran desactivados y no hay radiación solar, se observa

que las curvas de temperatura permanecen prácticamente constantes bajando

aproximadamente unos 5ºC durante toda la noche, excepto la zona inferior del almacén,

zona en la cual se da una transferencia de calor entre el vacio y las piedras que se

encuentran en dicha zona, por esta razón la curva de temperatura de esta zona disminuye

considerablemente en comparación a las demás curvas de temperatura (aproximadamente

unos 20ºC).

Etapa 5: Segunda operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado (para

calentar el almacén de energía).

Esta etapa consistió en la operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado, es

decir, en esta etapa se volvió a monitorear las temperaturas del almacén desde que se activó

automáticamente el ventilador central hasta el momento en que este se desactivó. La duración de

esta etapa de evaluación fue de las 8:00 am a las 3:00 pm del 10/05/2010.






78



La máxima Irradiancia que se tuvo ese día fue de 911 W/m2 y se dio a las 11:30 am.




79

Fig

ura

3.2

6: D

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ibució

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bte

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as e

n e

l alm

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el día

10/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

labora

ció

n p

rop

ia]

80

De las distribuciones de temperaturas obtenidas en la etapa de evaluación de la segunda

operación del sistema sin la utilización de las cámaras de secado (Etapa 5) mostradas en la figura

3.26 se obtienen las siguientes observaciones:

Se observa que mientras se cuente con una gran cantidad de radiación solar y las cámaras de

secado permanezcan desactivadas, las temperaturas en el almacén siempre van a tener el mismo

comportamiento ya observado en la etapa 3 (figura 3.23):

1. Durante la mañana, a medida los colectores solares se calientan, estos otorgan su calor al aire

que circula en el almacén de energía, como se puede observar con la curva del aire caliente

(termocupla 6), que en el lapso de las 8 de la mañana hasta la 1 de la tarde la temperatura del

aire caliente aumenta de 50ºC a unos 75ºC aproximadamente.

2. También se observa que durante este mismo periodo de tiempo (de las 8 de la mañana a la 1

de la tarde) las demás curvas de temperatura van en aumento junto con la curva del aire

caliente producto del calor que recibe el almacén tanto del ambiente como el calor que le

otorga el aire caliente proveniente de los colectores solares.

3. Luego durante la tarde, la radiación solar va disminuyendo lo que hace que los colectores

solares proporcionen menos calor al aire caliente y como el aire siempre se encuentra

cediendo su calor al almacén de energía, su temperatura va disminuyendo. Se observa que en

este lapso de tiempo la temperatura del aire caliente baja de unos 75ºC a unos 68ºC hasta que

se da la desconexión del ventilador central.

Etapa 6: Operación de las cámaras de secado para descargar energía del almacén.

Esta etapa consistió en activar las cámaras de secado mientras el sistema se encontraba

desactivado de tal forma que solamente se descargara energía del almacén. La duración de esta

etapa de evaluación fue de las 6:00 pm del 10/05/2010 a las 7:45 am del 11/05/2010.




81

Fig

ura

3.2

7: D

istr

ibució

n d

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pera

tura

s o

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as e

n e

l alm

acén d

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l 11/0

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01

0.

Fuente

: [E

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rop

ia]

82

Si se realiza una comparación entre las temperaturas de las curvas mostradas en la etapa 4 (figura

3.24) y la etapa 6 (figura 3.27) se pueden observar algunos fenómenos importantes, en la tabla

3.11 se muestra dicha comparación:


y con las cámaras de secado activadas (ventilador central desactivado):

Etapa 4: Cámaras secadoras desactivadas (figura 3.24)

Etapa 6: Cámaras secadoras activadas (figura 3.27)

Temperatura inicial del intervalo

medido

Temperatura final del intervalo

medido

Temperatura inicial del

intervalo medido


medido

Termocupla 1 58ºC 37ºC 61ºC 25ºC







1. Mientras las cámaras de secado permanecen activadas, las curvas de temperatura tienen

una tendencia descendente debido a que las piedras del almacén de energía, otorgan el

calor que han almacenado al aire que va hacia las cámaras de secado.

2. Como se puede observar con la curva que mide la temperatura del aire que se conduce

hacia las secadoras (termocupla 6), antes de activarse las cámaras secadoras la

temperatura del aire es de aproximadamente unos 70ºC pero al activarse las cámaras

secadoras esta curva va descendiendo durante toda la noche hasta que la temperatura del

aire llega a unos 40ºC, esto se da debido a que el aire recoge el calor almacenado por las

piedras del almacén y lo conduce hacia las cámaras secadoras, luego este aire sale de las

cámaras por otro ducto hacia el ambiente. Esto provoca que el calor que entrega el

almacén de energía al aire se pierda hacia el ambiente y como el almacén no tiene otra

forma de recuperar ese calor se dan las pérdidas de calor en el almacén que se pueden

observar mediante las demás curvas de temperatura descendentes.

Etapa 7: Operación del sistema a plena capacidad.

Esta etapa consistió en la operación normal del sistema, es decir, con el sistema activado y con

todas las cámaras de secado activadas. La duración de esta etapa de evaluación fue de las 7:45

am a las 6:00 pm del 11/05/2010

83








La máxima Irradiancia que se tuvo ese día fue de 928 W/m2 y se dio a las 1:32 pm.




84

Observando

Fig

ura

3.2

9: D

istr

ibució

n d

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el día

11/0

5/2

01

0.

Fuente

: [E

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ia]

85

las distribuciones de temperaturas obtenidas en las etapas 5 y 7 (figuras 3.26 y 3.29

respectivamente) se puede realizar una comparación entre ambas ya que para ambos intervalos

de tiempo medidos el ventilador central estuvo activado, la diferencia entre ambas es que para las

mediciones mostradas en la etapa 5 las cámaras de secado se encontraban desactivadas,

mientras que para las mediciones mostradas en la etapa 7 las cámaras de secado se encontraban

activadas. En la tabla 3.12 se muestra la comparación de temperaturas:


y con las cámaras de secado activadas (ventilador central activado):

Etapa 5: Cámaras secadoras desactivadas (figura 3.26)

Cámaras secadoras activadas (figura 3.29)

Temperatura inicial del intervalo

medido


medido

Temperatura inicial del

intervalo medido


medido








De la tabla 3.12 se observa como durante el día las curvas de temperatura van ascendiendo tanto

cuando están funcionando las cámaras secadoras como cuando las cámaras secadoras

permanecen desactivadas, la diferencia radica en que no se almacena tanto calor cuando las

cámaras secadoras están activadas ya que parte del calor de los colectores solares se distribuye

hacia el almacén de energía y otra parte de ese calor se conduce hacia las cámaras secadoras.

A partir de esto se puede concluir que cuando las cámaras secadoras se encuentran activadas

durante el día, el almacén de energía no acumula toda la energía posible, esto trae como

consecuencia que el lapso de tiempo durante el cual se requiera activar el sistema sin necesidad

de radiación solar será menor.

Lo ideal es encontrar el balance entre el número de horas durante el día para que las cámaras

estén activadas y deshidratando fruta contra el tiempo en que estas permanezcan desactivadas

para que el almacén de energía pueda acumular la suficiente cantidad de energía que se requiera

para que posteriormente el sistema pueda trabajar sin necesidad de radiación solar.

En la figura 3.30 se muestra el comportamiento térmico completo del almacén de energía durante

los días en que se realizaron las mediciones:

86

Fig

ura

3.3

0: C

om

port

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Fuente

: [E

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ia]

87

CAPITULO 4. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA DE DESHIDRATADO DE

FRUTAS POR MEDIO DE ENERGÍA SOLAR.

4.1. VALIDACIÓN DE LA CURVA DE FUNCIONAMIENTO CARACTERÍSTICA OBTENIDA PARA

LOS COLECTORES SOLARES UTILIZADOS POR EL SISTEMA DE DESHIDRATADO DE

FRUTA.

A partir de la curva de eficiencia obtenida para el colector prototipo se realizó una aproximación

teórica del funcionamiento de los colectores en la planta en estudio, para ello se encontró la

temperatura a la salida de los colectores para compararla con las mediciones reales y de esa

manera comprobar la validez de la curva de eficiencia encontrada. Para el análisis se asumieron

algunos detalles:

1. La curva de funcionamiento característico del colector solar utilizado por el sistema de

deshidratado solar obtenida (figura 3.33) es la que le corresponde a los colectores de la planta

en estudio.

2. El análisis fue realizado de acuerdo a los datos reales medidos para el domingo 09 de mayo de

2010 de las 8:16 a.m. a las 3:31 p.m. en intervalos de tiempo de 30 minutos. El rango de horas

corresponde al tiempo en que el sistema estuvo activo (ver figura 3.21).

3. La densidad y el calor específico del aire se calculó solo con la temperatura de entrada del

aire a los colectores.

4. La temperatura de entrada del aire en los colectores se asumió como la temperatura medida

con el termopar N° 1 en la medición de datos reales (ver figura 3.15).

5. La temperatura con la cual se compara la temperatura encontrada se asume es la temperatura

registrada por el termopar N°6 en la medición de datos reales (ver figura 3.15), es decir, que no

hay perdidas de temperatura en el ducto de transporte del aire, desde la salida de los

colectores hasta el punto de medición N° 6.

6. La temperatura ambiente utilizada fue de 26°C.

7. El valor de flujo volumétrico y el área de los colectores tomados para realizar los cálculos

fueron los valores reales medidos en la planta en estudio, estos son:

88

El valor de flujo volumétrico: 2904 m3/hr.

Área solar de los colectores solares: 60 m2.

8. El valor de Irradiancia que se utilizó fue la Irradiancia promedio mensual para la localidad más

cercana de la “Finca Don Chimino”: el municipio de Guazapa la cual tiene un valor de 4.98

kWh/m2 [Determinación del Potencial Solar y Eólico en El Salvador, 2006, pag.103]. Este valor

es el correspondiente para una superficie horizontal.

El valor de Irradiancia promedio mensual asumido se multiplicó por varios factores de

corrección:

Un factor de 1.05, ya que la zona donde se encuentra la planta en estudio es de

montaña con atmósfera muy limpia [Instalaciones de energía solar, 1989, pág. 159].

También se multiplicó por otro factor de 0.9884 que es el factor de corrección por

inclinación que permite evaluar la irradiación diaria incidente sobre un colector

inclinado. Este factor depende de la latitud del lugar de ubicación del colector así como

del ángulo de inclinación del colector [Instalaciones de energía solar, 1989, pág. 159].

Además el valor de Irradiancia se multiplicó por el factor que implica la energía no

aprovechada, 0.94, ya que, un 6% de la energía total diaria no se aprovecha, por

incidir en momentos en que, debido a la poca altura del Sol, la intensidad es menor

que el valor umbral de radiación solar que es de 200 w/m2 [Instalaciones de energía

solar, 1989, pág. 159].

Para efectos de cálculo prácticos, se trabaja con una intensidad media, que será el cociente

entre la energía útil incidente a los largo del día y el tiempo útil del día, esto es, el tiempo que el

sol está sobre el horizonte, descontando los dos intervalos al principio y al final del día en los

que la altura solar es tan baja, que la intensidad se sitúa por debajo de la umbral.

Para la localidad donde se encuentra ubicada la planta en estudio el número de horas útiles de

Sol para un día medio del mes de Mayo (mes en que se realizaron las mediciones)

considerado es de 6.3 hr de brillo solar [Determinación del Potencial Solar y Eólico en El

Salvador, 2006, pag.109].

Al efectuar las operaciones antes descritas se tiene un valor de Irradiancia de 771.149 w/m².

89

9. Para encontrar la eficiencia que le corresponde al valor de la abscisa ( ) del

grafico, se utilizó la ecuación de la gráfica encontrada para el colector prototipo (figura 2.11):

(Y= -10.779x+0.6346).

Igualando las ecuaciones 2.1 y 2.2 se puede observar que la única incógnita es Ts colector, en la tabla

4.1 se presentan los resultados obtenidos:

Tabla 4.1: Temperatura de salida teórica del aire de los colectores en el sistema de deshidratado

de fruta


Ti

colector (°C)

ρaire (Kg/m³)

Cp aire (J/Kg*K)

Flujo másico (Kg/s)

(Ti colector

– Tambiente)/

GT

Eficiencia (η)

Ts colector Teórica

(°C)

Ts colector real

(termocupla 6) (°C)

08:16 a.m. 39.7 1.128 1005 0.91 0.018 0.441 61.9 46.7 08:46 a.m. 42.2 1.119 1005 0.903 0.021 0.43 62.9 48.4 09:16 a.m. 44.3 1.103 1006 0.89 0.024 0.376 63.7 52.1 09:46 a.m. 45.7 1.111 1006 0.896 0.026 0.354 63.8 57.3 10:16 a.m. 48.7 1.097 1006 0.885 0.029 0.322 65.4 60.4 10:46 a.m. 50.5 1.091 1006 0.88 0.031 0.29 65.6 63.8 11:16 a.m. 52.2 1.085 1006 0.875 0.034 0.268 66.3 66.7 11:46 a.m. 52.5 1.084 1006 0.874 0.034 0.268 66.6 70.1 12:16 p.m. 54.3 1.078 1006 0.87 0.037 0.236 66.8 71.3 12:46 p.m. 55.5 1.074 1006 0.866 0.038 0.225 67.4 72.3 01:16 p.m. 56 1.072 1006 0.865 0.039 0.214 67.3 72.9 01:46 p.m. 56.5 1.071 1006 0.864 0.041 0.203 67.3 72.1 02:16 p.m. 57.2 1.069 1006 0.862 0.04 0.203 68.0 72.1 02:46 p.m. 58.4 1.065 1006 0.859 0.042 0.182 68.1 69.6 03:16 p.m. 58 1.066 1006 0.86 0.041 0.193 68.2 65.1


La temperatura promedio real para el periodo evaluado es de 64.1 °C, mientras que el promedio

teórico encontrado es de 66 °C lo que representa una diferencia de un 2.88% del valor real. El

porcentaje de error puede ser causado por:

Lo que se ha asumido para resolver el problema

La extrapolación de la curva encontrada en el colector prototipo.

Sin embargo, el porcentaje de error se encuentra dentro de límites aceptables si se adopta un

máximo error de un 5%, por lo que se comprueba que la curva de eficiencia encontrada para el

colector prototipo es válida para los colectores del sistema de deshidratado de frutas.

90

4.2. ANÁLISIS DEL POTENCIAL DE ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO DEL ALMACÉN DE

ENERGÍA DEL SISTEMA DE DESHIDRATADO DE FRUTAS.

A partir de este análisis se podrá estimar teóricamente cuanta energía es capaz de almacenar el

almacén de energía y cuanto tiempo toma al almacén de energía alcanzar su capacidad máxima

de almacenamiento de energía.

Para realizar este análisis primero se deben encontrar algunas propiedades energéticas

importantes sobre el elemento almacén de energía que son las piedras, estas son:

La densidad de la piedra ( )

El calor especifico de la piedra ( )

La conductividad térmica de la piedra ( )

4.2.1. Cálculo de las propiedades energéticas de las piedras utilizadas en el almacén de

energía.

Para simplificar la determinación de las propiedades, las pruebas se realizaron únicamente, a una

roca y las propiedades encontradas se extendieron a todo el conjunto de rocas que se encuentran

dentro del almacén.

Densidad de la piedra

Para encontrar la densidad de la piedra se utilizó la siguiente ecuación:

(ec. 4.1)

Donde:

= Densidad de la piedra [Kg/m³]

= Masa de la piedra [Kg]

= Volumen de la piedra [m³]

91

La masa de la piedra se obtuvo dividiendo el peso de la piedra entre la gravedad. El volumen de la

piedra se obtuvo a través del volumen de agua desplazado por la piedra, los resultados que se

obtuvieron fueron los siguientes:

Masa de la piedra = 0.203 kg

Volumen de la piedra = 1.015 x 10-4

m³

Luego a través de la ecuación 4.1 se tiene:

Densidad de la piedra ( ) = 2000 kg/m3

Calor específico de la piedra

El método utilizado para encontrar el calor específico de la piedra, consistió en realizar un balance

de energía entre un fluido (en este caso agua) y la piedra que se calentó hasta una determinada

temperatura, para calentar la piedra se utilizó un calorímetro que es el dispositivo que permite el

intercambio de calor entre dos elementos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio. Para

nuestro caso estos elementos son un cierto volumen de agua y la piedra.

Para realizar la prueba se asumió lo siguiente:

La piedra es esférica con un diámetro (D) = 0.06 m (en promedio)

No existen gradientes de temperatura en la piedra, es decir que en su totalidad se encuentra a

la misma temperatura.

No existen gradientes de temperatura en el agua.

No hay pérdidas de energía hacía afuera del volumen de control, el agua y la piedra, por lo que

el intercambio de energía es neto entre ellos.

Para realizar el balance de energía se debe cumplir que el calor ganado por la piedra sea igual al

calor perdido por el agua, esto se representa a través de la ecuación 4.2:

(ec. 4.2)

Se puede obtener directamente el calor específico de la piedra por medio de la ecuación 4.3:

92

(ec. 4.3)

Donde:

= Calor específico de la piedra [KJ/Kg*C]

= Masa de agua [Kg]

= Calor específico del agua [KJ/Kg*C]

= Temperatura de equilibrio entre el agua y la piedra (temperatura final de la prueba) [ºC]

= Temperatura ambiente [ºC]

= Masa de la piedra [Kg]

= Temperatura de la piedra al inicio de la prueba [ºC]

A partir de la prueba realizada con el calorímetro se obtuvieron todas las variables necesarias para

poder calcular el calor específico de la piedra, como se muestra a continuación:

Temperatura ambiente del agua ( ) = 24ºC

Masa de agua utilizada ( ) = 0.15 Kg

Calor específico del agua ( ) = 4.183 KJ/Kg*C

Se calentó la piedra hasta una temperatura de 89°C obteniendo:

Temperatura de la piedra al inicio de la prueba ( ) = 89ºC

Masa de la piedra ( ) = 0.15 Kg

Temperatura de equilibrio entre el agua y la piedra ( ) = 36.4ºC

A partir de estas variables y la ecuación 2.10 se obtuvo el calor específico de la piedra:

Calor específico de la piedra ( ) = 0.727 KJ/Kg*C

93

Conductividad térmica de la piedra

La conductividad térmica de la piedra se obtuvo a partir de la conductividad térmica típica de la

piedra de rio [Holman, 1999, p.405]:

Conductividad térmica de la piedra ( ) = 0.87 W/m*C

4.2.2. Consideraciones tomadas para realizar el análisis del potencial de almacenamiento

energético del almacén de energía del sistema de deshidratado de frutas.

Se utilizará el lecho de piedras para extraer energía de una corriente de aire caliente y almacenarla

para su uso posterior. En la figura 4.1 se muestra un esquema del almacén de energía analizado:

Figura 4.1: Esquema del almacén de energía utilizado para el análisis energético


1. El área de entrada de la corriente de aire caliente es el área interna del almacén de energía

(8.41 m2) y la longitud que recorre la corriente de aire caliente es la longitud del almacén de

energía (1.34 m).

2. La superficie del almacén de energía está recubierta por madera y poliestireno, se asume que

el valor de resistencia térmica global de las paredes es la resistencia térmica del poliestireno

cuyo valor es de 0.54 m2*C/W [Holman, 1999, p.405].

94

3. Las propiedades de las piedras son las mismas calculadas en el apartado anterior:

Calor específico de la piedra ( ) = 0.727 KJ/Kg*C

Conductividad térmica de la piedra ( ) = 0.87 W/m*C

Densidad de la piedra ( ) = 2000 Kg/m3

4. El lecho de piedras se encuentra inicialmente a una temperatura ambiente de 27ºC, y se

asume que los alrededores del almacén de energía se mantienen siempre a 27ºC durante el

análisis.

5. Se asume que la corriente de aire que ingresa al almacén de energía permanecerá a una

temperatura de 55 ºC durante todo el análisis.

Se asume esta temperatura ya que al observar la figura 4.2 que muestra el comportamiento

térmico del aire a lo largo del tiempo en que se realizaron las mediciones de temperatura en el

almacén de energía se puede observar gracias a la línea de tendencia que el aire se mantiene

durante más tiempo a una temperatura entre 60 ºC y 50 ºC por lo que al sacar el promedio se

opto por asumir una temperatura constante de 55 ºC para facilitar el análisis.

Figura 4.2: Comportamiento térmico del aire durante los días del 8/5/2010 al 12/5/2010


6. El flujo másico de aire que recorre el almacén de piedras se obtiene a partir del flujo

volumétrico de aire que se midió a la entrada del almacén de piedras (0.8067 m3/s) y la

95

densidad del aire a 55ºC (1.076 kg/m3) con esto se obtiene un flujo másico de aire de 0.8678

kg/s asumiendo que no hay perdidas de aire hacia el exterior.

Cálculos realizados para obtener el potencial de almacenamiento energético del almacén de

energía del sistema de deshidratado de frutas.

Para realizar los cálculos primero se dividió el almacén de energía en 5 nodos axiales como se

puede observar en la figura 4.1 y luego se realizó el balance de energía de uno de los nodos

axiales:

Energía que

entra - Energía que

sale - Energía que se

cede al ambiente =

Energía acumulada

en el nodo por

unidad de tiempo

Lo cual se puede escribir según la siguiente ecuación para cualquiera de los nodos, en este caso

representaremos uno de los nodos axiales como el “nodo x”:

(ec. 4.4)

Donde:

= Flujo másico de aire a 55ºC

= Calor especifico del aire a 55ºC

= Temperatura de las piedras al inicio del intervalo de tiempo analizado para el nodo “x-1”

= Temperatura de las piedras al inicio del intervalo de tiempo analizado para el nodo “x”

= Temperatura ambiente (definida anteriormente en 27ºC)

P = Perímetro de piedra que atraviesa la corriente de aire

= Incremento de x en el nodo analizado (definido en 0.234 m)

= Resistencia térmica global de las paredes del almacén

= Densidad de las piedras

= Calor especifico de las piedras

96

= Incremento en el volumen de piedras en el nodo analizado

= Temperatura de las piedras al final del intervalo de tiempo analizado para el nodo “x”

= Intervalo de tiempo analizado

Esta ecuación se escribe de esta forma partiendo del supuesto que la temperatura de salida del

aire del nodo “x” es la temperatura de la piedra en ese nodo ya que cuando el aire circula entre las

piedras, está en un contacto tan estrecho con la piedra, que las temperaturas de ambos se pueden

considerar iguales en cualquier posición de x [Holman, 1999, p.406].

La ecuación se puede reordenar para que quede de la siguiente forma:

(ec. 4.5)

Donde:

Por medio de esta ecuación se procederá a obtener las temperaturas del lecho de piedras a

medida va avanzando el tiempo.

Para seleccionar el intervalo de tiempo de análisis necesario para obtener estas temperaturas se

debe cumplir una condición de estabilidad la cual es que el coeficiente de los términos no

puede ser negativo. Por lo que, si este coeficiente no puede ser negativo, se puede obtener el

máximo incremento de tiempo que permite estabilidad igualando el coeficiente de a cero, de la

siguiente forma:

Si se realizan todos los cálculos necesarios se obtiene que el intervalo de tiempo máximo que

permite estabilidad para este caso sea de 3725 segundos o 1 hora 2 minutos y 5 segundos.

Ahora que ya se conoce el intervalo de tiempo máximo que permite estabilidad en el sistema se

escoge un intervalo de tiempo de 1800 segundos o 30 minutos para realizar el análisis, con esto se

97

obtendrá como van variando cada 30 minutos las temperaturas en el sistema y además cuanta

energía se va acumulando durante este tiempo.

Con la ecuación 4.5, todas las propiedades descritas anteriormente y el intervalo de tiempo

escogido de 1800 segundos se pueden obtener las temperaturas del sistema.

La energía almacenada relativa a la temperatura ambiente de 27ºC en función del tiempo se puede

calcular a partir de la siguiente ecuación:

(ec. 4.6)

4.2.3. Presentación de los resultados del análisis para obtener el potencial de

almacenamiento energético del almacén de energía del sistema de deshidratado de

frutas

Como anteriormente se explicó, se asumió que el aire siempre se mantiene con una temperatura

constante de 55ºC durante todo el análisis y que además no hay cambios de temperatura durante

todo el análisis. Además se asumió que al inicio del análisis todo el almacén de piedras se

encuentra a la misma temperatura ambiente de 27ºC.

Tomando en cuenta lo anterior, a continuación se presentan los resultados que se obtuvieron en

los diferentes intervalos de tiempo analizados para los nodos del 1 al 5 de las temperaturas y la

energía acumulada por el almacén de energía:


2 horas

Δτ = 30 minutos Δτ = 1 hora Δτ = 1.5 horas Δτ = 2 horas

Inicio Final Inicio Final Inicio Final Inicio Final

Temperatura nodo 1 27 40,44 40,44 47,39 47,39 50,97 50,97 52,83





ENERGÍA ACUMULADA

82.55 MJ 159 MJ 226.3 MJ 282.8 MJ


98


4 horas

Δτ = 2.5 horas Δτ = 3 horas Δτ = 3.5 horas Δτ = 4 horas


Temperatura nodo 1 52,83 53,79 53,79 54,28 54,28 54,54 54,54 54,67





ENERGÍA ACUMULADA

328.2 MJ 363.2 MJ 389.4 MJ 408.4 MJ



6 horas







Temperatura nodo 5 47,9 49,7 49,7 51,04 51,04 52 52 52,69

ENERGÍA ACUMULADA

421.9 MJ 431.2 MJ 437.6 MJ 441.8 MJ



8 horas






Temperatura nodo 4 53,6 53,84 53,84 54 54 54,1 54,1 54,16


ENERGÍA ACUMULADA

444.6 MJ 446.5 MJ 447.6 MJ 448.4 MJ


99

En la siguiente figura se presenta gráficamente la energía acumulada en el tiempo por el almacén

de energía:

Figura 4.3: Energía acumulada en el tiempo por el almacén de energía.


A partir de los resultados mostrados anteriormente se puede observar que la energía se acumula

en el almacén de energía de manera exponencial las primeras 6 a 7 horas de funcionamiento hasta

que se alcanza el régimen estacionario, lo que significa que el sistema necesitaría funcionar

teóricamente de 5 a 6 horas solamente almacenando energía para alcanzar todo su potencial de

almacenamiento.

Si comparamos estos resultados con los obtenidos en las mediciones de temperaturas realizadas

directamente en el almacén podemos sacar aun más conclusiones:

Tabla 4.6: Temperaturas medidas en el almacén de energía el día 9 de mayo de 2010

T1 T2 T3 T4 T5 Temperatura

del aire

09/05/2010 08:16 a.m. 39.7 52.7 56.4 62.2 60.9 46.7

09/05/2010 02:16 p.m. 57.2 62.0 64.1 69.2 75.6 72.1

09/05/2010 02:46 p.m. 58.4 63.1 65.2 70.9 75.4 69.6

09/05/2010 04:46 p.m. 55.3 60.0 65.9 71.9 73.6 61.0


100

Tabla 4.7: Temperaturas medidas en el almacén de energía el dia 10 de mayo de 2010

T1 T2 T3 T4 T5 Temperatura

del aire

10/05/2010 08:01 a.m. 36.7 53.7 60.5 66.0 68.2 55.4

10/05/2010 02:01 p.m. 60.3 63.9 66.6 71.0 75.3 72.9

10/05/2010 02:31 p.m. 61.8 64.2 66.1 72.1 76.2 69.8

10/05/2010 04:31 p.m. 57.1 62.2 67.0 71.7 74.7 63.4


Se puede observar que a pesar de que los valores de temperaturas obtenidos en el análisis teórico

no son iguales que las temperaturas medidas directamente del almacén, la máxima acumulación

de energía en el almacén se da justamente en el intervalo de 6 a 7 horas de estar funcionando ya

que las máximas temperaturas registradas se obtienen justo en este intervalo de tiempo por lo que

se puede concluir que en ese momento existe la mayor cantidad de energía acumulada en el

almacén de energía.

Lo anterior se puede afirmar partiendo de que tanto el análisis teórico como las mediciones

realizadas los días 9 y 10 de mayo 2010 se realizaron sin que las cámaras de secado estuvieran

activadas.

Las mediciones de temperatura obtenidas cuando las 4 cámaras de secado estuvieron activadas

se muestran a continuación:

Tabla 4.8: Temperaturas medidas en el almacén de energía el día 11 de mayo de 2010

T1 T2 T3 T4 T5

Temperatura del aire

11/05/2010 08:01 a.m. 24.9 31.7 37.2 44.6 48.4 38.8

11/05/2010 02:01 p.m. 37.9 44.3 46.7 53.8 64.6 63.1

11/05/2010 02:31 p.m. 37.2 44.8 48.8 54.4 64.7 62.5

11/05/2010 04:51 p.m. 40.8 48.3 53.5 60.2 60.1 50.6

11/05/2010 04:56 p.m. 41.4 49.3 53.4 59.5 60.3 50.4

11/05/2010 05:01 p.m. 42.5 47.7 52.6 60.6 62.1 48.7

11/05/2010 06:11 p.m. 40.8 46.8 52.2 60.5 62.3 49.2

11/05/2010 06:16 p.m. 41.3 47.5 51.8 60.1 62.6 49.1


En este caso se observa que las temperaturas medidas en el almacén son menores que las

medidas cuando las cámaras de secado se encuentran desactivadas, lo cual es lógico ya que todo

el flujo de aire caliente se reparte; una parte circula hacia el almacén de piedras, y otra hacia las

cámaras de secado. Esto nos permite concluir que mientras funcionen las cámaras de secado, el

almacén de energía nunca alcanza su máximo potencial de acumulación de energía en el día por

101

lo que si se desea tener la máxima cantidad de energía acumulada en el almacén de energía se

recomienda que el sistema funcione durante el día exclusivamente para almacenar energía y que

funcione para realizar las tareas de secado de frutas durante la tarde/noche. Solo la experiencia

podrá dar un estimado de la cantidad de energía que puede entregar el almacén de energía para

realizar las tareas de secado de frutas de manera efectiva y eficiente.

4.3. EVALUACIÓN DE LA CANTIDAD DE HUMEDAD EN EL AIRE A LA ENTRADA DE LAS

CÁMARAS DE DESHIDRATADO.

4.3.1. Marco teórico.

Debido a que no se efectuaron mediciones reales de la humedad relativa en el aire que entra en

las cámaras de deshidratado (por la ausencia de equipo para la medición) se genera un análisis

basado en algunas condiciones climáticas teóricas del aire, para dejar una referencia de análisis en

caso que se desee profundizar en el estudio del comportamiento de la humedad del aire cuando

entra en las cámaras de deshidratado. Sin embargo, el análisis que se presenta trata de basarse

en la condiciones climáticas lo más próximas a las reales, con el objetivo de que los resultados que

se obtengan puedan aceptarse como validos para la planta de deshidratación en estudio.

Como se ha mencionado en el marco teórico inicial (ver tabla 2.8 y 2.9) el conocimiento de la

humedad relativa en el aire utilizado para deshidratar algún producto, es de vital importancia, ya

que influye directamente en la calidad del producto deshidratado. Además con el conocimiento de

la humedad relativa del aire a su ingreso de las cámaras de deshidratado, puede deducirse si el

calentamiento del aire es óptimo o deficiente.

Otro de los factores importantes a deducir en este análisis, es el de verificar si el almacén de

energía alcanza las temperaturas óptimas para el deshidratado, es por ello que se plantean

algunos casos de acuerdo a las configuraciones de funcionamiento del sistema de deshidratado

(ver apartado 2.6 del presente trabajo).

4.3.2. Condiciones para desarrollar el análisis de la cantidad de humedad en el aire a la

entrada de las cámaras de deshidratado.

1. Se asume la temperatura del aire que ingresa a las cámaras de deshidratado (aire externo al

sistema) a 26°C.

102

2. Se asumió la humedad relativa del aire en un 72%, valor de humedad promedio para el mes de

Mayo en la localidad de Concepción Quezaltepeque, lugar cercano a donde se encuentran las

instalaciones de la planta de deshidratado y de donde se encontraron valores registrados. [de

acuerdo al sitio Web www.snet.gob.sv/Riesgo/extramapobreza/estudio/Chalatenango.pdf].

3. La humedad absoluta del aire permanece constante en el proceso de calentamiento dentro del

sistema. Cuando hay un calentamiento del aire hay un aumento de la capacidad de éste para

absorber humedad, pero internamente en el sistema, cuando el aire se calienta no hay fuentes

que le permiten a éste absorber humedad, únicamente cuando se encuentra en contacto

directo con el producto que se deshidrata. Es por ello que se considera la humedad absoluta

constante del aire que ingresa a las cámaras deshidratado. Sin embargo, esto no se cumple

cuando está ingresando aire al sistema o en el caso de lluvia.

4. El comportamiento del aire, desde su ingreso al sistema hasta su ingreso a las cámaras de

deshidratado se reflejará en una carta psicrométrica.

5. Se asume la temperatura a la entrada de las cámaras de deshidratado como la temperatura

censada por la termocupla Nº 6, utilizada en las mediciones reales (ver apartado 3.4 del

presente trabajo).

6. Se asume la temperatura a la entrada de los colectores solares como la temperatura censada

por la termocupla Nº 1, utilizada en las mediciones reales (ver apartado 3.4 del presente

trabajo).

4.3.3. Caso Analizado N.1: Evaluación de la humedad del aire cuando únicamente se retira la

energía almacenada del almacén de energía.

Uno de los elementos importantes al momento de deshidratar, es el conocimiento de la humedad

relativa del aire que estará en contacto directo con el producto que se desea deshidratar.

La importancia de este parámetro radica en la calidad del producto que se deshidrata y de la

capacidad del sistema de calentamiento del aire para disminuir la humedad relativa del aire. De

acuerdo al producto que se deshidrata, el aire debe tener una temperatura de deshidratado y una

humedad relativa óptima para lograr un deshidratado que le permita al producto conservar sus

propiedades nutricionales, así como su consistencia y calidad. Un producto mal deshidratado

pierde su sabor, el tiempo de almacenaje es más corto y su textura puede verse afectada.

103

En la planta de deshidratado ubicado en la finca “Don Chimino”, como ya se ha descrito, se tiene

un almacén de energía. El sistema puede operar almacenando energía y deshidratando al mismo

tiempo; si el sistema trabaja de esta manera la capacidad de almacenar energía disminuye, ya que,

no es todo el flujo de aire calentado en los colectores el que circula por el almacén.

Para verificar el funcionamiento del almacén de energía, se ha desarrollado un análisis basado en

las condiciones reales de operación (ver figura 3.26). Como se describe en la sección dedicada a

las condiciones reales del almacén de energía, se le permitió al sistema operar los días 08, 09,10,

y 11 de mayo del 2010 almacenando energía bajo distintas condiciones.

Durante los días 08,09 y 10 el sistema únicamente almacenó energía sin utilizar las cámaras de

deshidratado, para verificar la capacidad del almacén de energía de acuerdo a las condiciones

climáticas que se tuvieron. Sin embargo, después de solamente almacenar energía se le permitió

al almacén ceder su energía durante toda una noche, la noche del 10 de mayo del 2010, desde las

6:00 p.m hasta las 6:00 a.m. del 11 de mayo.

El comportamiento de la temperatura a la entrada de las cámaras de deshidratado se muestra en

la figura 4.4. En la figura puede verse que el rango de temperaturas registradas a la entrada de las

cámaras de deshidratado se encuentra entre 58°C y 43°C:

104

Fig

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4.4

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Fuente

: [E

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105

Para el rango de temperaturas reales registradas (43°C – 58°C) es importante verificar que tanto

se disminuye la humedad relativa del aire a su paso por el almacén de energía, recordando que

durante este proceso, aire fresco ingresa al almacén de energía y hace su recorrido de manera

ascendente tal y como se muestra en la figura 4.5:

Figura 4.5: Recorrido del aire durante el proceso de calentamiento


Para ver gráficamente en una carta psicrométrica el comportamiento del aire, definir su estado, se

necesitan de tres variables independientes. En nuestro caso se conocen tres para definir el punto

de partida y conocer la humedad absoluta:

1. La humedad relativa del aire a su ingreso al sistema (72%)

2. La temperatura del aire a su ingreso (temperatura de bulbo seco) al sistema es de 26°C.

3. La presión atmosférica (101.3 KPa)

Y se conocen los puntos finales a través de:

1. La humedad absoluta es la misma que la del punto inicial

2. Las temperaturas a la entrada de las cámaras de deshidratado

Por lo tanto, se tiene completamente definido el estado del aire para el punto de ingreso al almacén

de energía y el punto de ingreso a las cámaras de deshidratado (rango de temperaturas de 43°C a

58°C), gráficamente se observa el comportamiento del aire en la carta psicrométrica mostrada en

la figura 4.6:

106

Fig

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4.6

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Fuente

: [E

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107

Para las condiciones de entrada del aire, temperatura 26°C, humedad relativa 72% y presión

atmosférica de 101.325 KPa, se tiene una humedad absoluta de 0.01523 [Kg agua/kg de aire

seco].

Los puntos “A”, “B” y “C” graficados en la figura 4.6 representan el proceso completo para el aire

desde su ingreso al almacén de energía (punto “A”) hasta el rango de temperaturas a su ingreso a

las cámaras de deshidratado durante el periodo evaluado (punto “B” 43°C y punto “C” 58°C).

La humedad relativa del aire a su ingreso a las cámaras de deshidratado inicialmente (a las 6:00

p.m. del 10 de Mayo, es de aproximadamente un 15% (punto “C”), mientras que al final del periodo

evaluado (6:00 p.m. del 11 de Mayo) es de aproximadamente un 28% (punto “B”). La humedad

óptima que se requiere en la planta de deshidratado debe de estar por debajo del 20%, por lo que

se estima que este valor se consigue al menos hasta 6 horas de funcionamiento continúo para el

periodo evaluado, es decir, de las 6:00 p.m. a las 12:00 p.m., periodo durante el cual se alcanza

una temperatura del aire a la entrada de las cámaras deshidratadoras arriba de 50°C (ver figura

4.4). Después de las 12:00 p.m. ya no tiene caso seguir deshidratando pues la humedad relativa

del aire es alta, arriba del 20%, y el producto a deshidratar podría deteriorarse.

Es importante notar que existen algunos productos que deben permanecer deshidratándose por un

largo periodo de tiempo (ver tabla 2.9), por lo que dichos productos no podrían someterse a

deshidratación durante la noche, ya que, su proceso se vería interrumpido. Sin embargo, para

productos en donde la humedad relativa tolerable del aire sea inferior al 30%, el almacén podría

ceder su energía y funcionar durante 12 horas como tiempo máximo.

4.3.4. Caso Analizado N.2: Evaluación de la humedad del aire cuando ingresa aire caliente a

las cámaras de secado e ingresa aire fresco al almacén de energía.

Otro caso importante es cuando se tiene la configuración siguiente: ingreso de aire caliente a las

cámaras de deshidratado y aire frío al almacén de energía, debe de recordarse que la planta en

estudio permite esta configuración. Un esquema de este tipo de funcionamiento se muestra en la

figura 4.7:

108

Figura 4.7: Esquema de flujo caso analizado N.2


De acuerdo a las mediciones realizadas, el flujo volumétrico proveniente de los colectores solares

es de 2903 m3/h, de esta cantidad 1623 m3/hr ingresa a las cámaras de deshidratado y el resto se

envía al almacén de energía para que caliente las rocas. Para mantener un flujo uniforme ingresa

aire fresco al almacén de energía a una razón de 1623 m3/hr. Este modo de operación se mantuvo

el último día de las mediciones reales de temperatura en el almacén de energía (11 de mayo de

2010).

En la figura 4.8 se puede observar las temperaturas del aire a su ingreso a las cámaras de

deshidratado (termopar 6) y las temperaturas del aire ingresando a los colectores solares

(termocupla 1), si se asume que no hay perdida de energía en el ducto que conduce al aire.

Puede verse en la figura 4.8, que la temperatura promedio de la mezcla de aire caliente (flujo que

ha a atravesado el almacén de energía) y el aire fresco que ingresa al almacén, mezcla que

posteriormente ingresa a los colectores solares para su calentamiento, es de 34°C (registros de la

termopar 1).

Mientras que el rango de temperaturas del aire a su ingreso a las cámaras de deshidratado es de

38°C a 65°C.

Asumiendo las condiciones de análisis propuestos en la sección 4.3.2., se muestra el

comportamiento del aire en la carta psicrométrica (figura 4.9):

109

Fig

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4.8

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Fuente

: [E

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111

El punto “A” en la figura 4.9 representa al aire fresco a su ingreso al almacén de energía, una vez

este aire se ha mezclado con el aire caliente proveniente de los colectores solares y que ha

atravesado el almacén de energía se alcanza el punto “B”, donde se tiene una humedad relativa de

aproximadamente 45% a una temperatura de 34°C. En las condiciones del punto “B”, el aire

ingresa a los colectores solares.

Al inicio del día, 8:00 a.m (ver figura 4.8) el aire después de haber pasado por los colectores

solares alcanza una temperatura aproximada de 38°C, temperatura a la cual el aire ingresa a las

cámaras deshidratadoras y a la que le corresponde una humedad relativa de un 25% (punto “C).

Aproximadamente a las 10:00 a.m el aire en los colectores alcanza una temperatura de 50°C

teniendo una humedad relativa aproximada de un 18%.

Es importante notar que se alcanza una humedad relativa optima para el deshidratado a una

temperatura del aire arriba de los 50°C, debajo de este valor no se recomienda deshidratar

producto pues la humedad relativa es muy alta. Se puede deducir que el periodo optimo para el

deshidratado está comprendido entre las 10:00 a.m y las 4:00 p.m., periodo en el cual se tiene una

humedad relativa inferior al 18% y una temperatura del aire que ingresa a las cámaras de

deshidratado superior a 50 ºC (ver figura 4.8 y 4.9).

113

CAPITULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

Para realizar la caracterización del sistema de calentamiento de aire por medio de energía

solar con almacenamiento térmico se realizaron metodologías de medición de las variables que

afectan la eficiencia del sistema como son: el flujo volumétrico de aire que circula por todo el

sistema, la presión que se maneja dentro de las diferentes partes del sistema, la temperatura

del aire que circula en el sistema y la humedad contenida en el aire cuando este pasa por los

diferentes procesos de calentamiento y deshidratado del sistema. El objetivo de caracterizar el

sistema fue poder realizar diferentes análisis del rendimiento del sistema a condiciones

variables y ver como el sistema respondía a dichas condiciones impuestas.

La ventaja de realizar análisis numéricos a un sistema cualquiera es el hecho de poder variar

sus condiciones de trabajo, así, se pueden observar y analizar diferentes comportamientos de

un sistema sin tener que afectar el desempeño real del mismo como se tendría que hacer si se

realizan análisis empíricos.

La integración de un sistema de deshidratado solar con almacenamiento de energía otorga la

oportunidad de seguir deshidratando producto en horas a las cuales ya no se cuenta con la

radiación solar adecuada para el deshidratado, por lo que estos almacenadores de energía son

muy importantes para la producción.

Para que el almacenamiento de energía sea eficiente se debe diseñar un almacenador de

energía que tenga la capacidad de extraer toda la energía que tiene almacenada en el

momento en que se requiere y además que pueda recuperar la energía perdida en un lapso de

tiempo corto. Una de las formas más baratas y que entrega buenos resultados en este objetivo

es el almacenamiento de energía por lecho de rocas.

La fuente de energía principal utilizada por el sistema de calentamiento de aire analizado en el

presente trabajo es la energía solar. La principal ventaja de la energía solar es que no

consume combustible, pues obtiene su energía del Sol, lo cual significa que, económicamente,

en el largo plazo estos sistemas que funcionan a base de energía solar son más viables y

estables. El alto costo inicial sigue siendo, no obstante, la desventaja desde el punto de vista

económico. Desde el punto de vista ecológico, la energía solar no tiene competencia, pues es

renovable y limpia.

114

Proyectos con aprovechamiento energético solar, como el descrito en este trabajo, poseen

gran potencial como apuestas comunales que integren una región de habitantes, de tal manera

que potencien el crecimiento económico con el aprovechamiento de sus cosechas de frutas.

Las ventajas de decantarse por la opción solar para la deshidratación de frutas son:

- La energía solar es una fuente amigable no contaminante.

- Ahorra energías no renovables sin emisiones de CO2.

- Después de la inversión inicial los costos de energía y mantenimiento son mínimos.

Mediante el deshidratado de frutas se aprovecha la cosecha en temporada y se asegura su

existencia en post-temporada. Además para prolongar la existencia de la fruta, se evita el

tratamiento de ésta con agentes químicos que puedan alterar la condición natural de la misma.

Debe existir un impulso hacia las energías renovables de parte del estado y de la empresa

privada, ya que de esa manera se gana autonomía energética y a su vez se preparan para los

desafíos energéticos del futuro. También precisa recalcar que el estudio y aplicación de las

energías limpias deben de ser apoyadas por el gobierno de El Salvador, con políticas que

promuevan su uso y el avance en tecnologías renovables como lo es la energía solar térmica.

115

5.2. RECOMENDACIONES

Antes de someter un producto a deshidratación debe de conocerse su composición química y

características físicas, de tal manera que se conozca la temperatura óptima de deshidratado

así como el tiempo máximo que el producto debe ser sometido a tales condiciones, para que

éste no pierda su consistencia y sabor.

Debe de controlarse la humedad relativa del aire que ingresa a las cámaras de deshidratado,

ya que, si no se garantiza una humedad relativa óptima en el aire utilizado, los resultados en el

producto deshidratado podrían no ser los esperados.

De acuerdo a los resultados obtenidos en el lecho de rocas analizado en el presente trabajo,

se observa que este cumple su objetivo de almacenar la energía pero al momento de entregar

dicha energía para que esta sea utilizada, no es muy eficiente por lo que una solución para

mejorar la calidad del aire que ingresa a las cámaras de secado es realizar un calentamiento

previo del aire a su ingreso a las cámaras de secado para así disminuir la humedad contenida

en dicho aire y así pueda ser utilizado para deshidratar.

Los productos sometidos a deshidratación por las noches, utilizando el almacén de energía, no

deben de someterse por más de 6 horas, ya que a partir de este tiempo la humedad relativa

del aire alcanza valores que podrían deteriorar el producto.

Se recomienda tomar las aproximaciones teóricas desarrolladas en este documento, como una

referencia para futuras construcciones de deshidratadores solares.

Cuando el clima de la zona, donde se encuentra ubicado el sistema de deshidratado, se

encuentre en estado lluvioso, aún cuando almacén de energía se encuentre con energía

disponible, no se recomienda utilizar el sistema. La humedad del aire será alta y no se

garantiza que el aire a su paso por el almacén de energía salga con una humedad relativa

óptima.

Es preciso para lograr buena calidad del producto que se deshidrata, conocer su información

nutricional, principalmente de la cantidad de agua que contiene. De esta manera se podrá

determinar el tiempo máximo que el producto debe ser sometido a deshidratación bajo las

condiciones de entrada del aire caliente a las cámaras de deshidratado.

116

Se recomienda ubicar un regulador de flujo de aire, en el ducto que permite el ingreso de aire a

las cámaras de deshidratado, ya que éstas, no necesariamente trabajaran bajo las mismas

condiciones de carga, es decir, con la misma cantidad de producto.

Mientras las cámaras de deshidratado funcionen es necesario mantener activos los

ventiladores de reflujo, para acelerar el proceso de extracción del agua del producto.

117

GLOSARIO

Autodesk Inventor: Es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D, producido por la

empresa de software Autodesk, que proporciona una gama completa para diseño mecánico en 3D.

Anhídrido carbónico: Gas más pesado que el aire, inodoro, incoloro, incombustible y asfixiante,

que se produce en las combustiones y en algunas fermentaciones por la combinación del carbono

con el oxigeno.

Bidones de agua: Recipiente con cierre hermético que transporta agua.

Cámaras de deshidratado: Consiste de una cámara cerrada, aislada térmicamente, donde se

coloca el producto que se desea deshidratar y por la que circula aire caliente.

Carta psicrométrica: es una gráfica de las propiedades del aire, tales como temperatura,

humedad relativa, volumen, presión, etc. Las cartas psicrométricas se utilizan para determinar,

cómo varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire.

Cámara de piedras: Conjunto de rocas dentro de un depósito, cuyo objetivo de estar juntas es la

de proveer un espacio para el almacenaje de energía térmica. En el documento se utiliza como un

sinónimo del almacén de energía.

Ciclo del agua: Es generado por el Sol, al evaporar las aguas de los mares, lagos, etc. Esta agua

cae en forma de lluvia y nieve sobre la Tierra y vuelve hasta el mar, donde el ciclo se reinicia.

Constante de rapidez de secado: fase inicial que es muy rápida, en la cual se extrae la humedad

de la superficie del producto.

Colector prototipo: Colector de tamaño reducido comparado con el tamaño del colector utilizado

en la planta de deshidratación, donde se han desarrollado análisis que pueden hacerse extensivos

a la planta en estudio.

Espectro electromagnético: Distribución de la intensidad de la radiación electromagnética, en

función de la longitud de onda.

Fluke 975 Airmeter with Velocity: Instrumento de medición de flujo volumétrico

118

Hydra Data Logger: Es un dispositivo electrónico que registra mediciones ordenadas en el tiempo,

provenientes de diferentes sensores. Luego cada medición es almacenada en una memoria, junto con su

respectiva fecha y hora.

Irradiación solar difusa: Radiación que proviene de otras direcciones (distintas a las del disco

solar) debido a la reflexión y dispersión que producen en la radiación solar, la atmósfera y las

nubes.

Irradiación solar directa: Es la radiación que llega a la superficie de la tierra en forma de rayos

provenientes del sol sin cambios de dirección.

Lecho de rocas: Conjunto de rocas dentro de un depósito. En el documento se utiliza como un

sinónimo del almacén de energía.

Mango Panades: pesa entre 160 a 253 gramos, longitud de once centímetros, ancho de seis

centímetros, de forma oblonga oval, con base prominente, cavidad basal poco profunda, pico

ligeramente formado, hombro ventral y dorsal de curva larga, seno muy poco notorio y ápice

redondeado. Cáscara lisa de color rojo, la pulpa ocupa el 80% del peso.

NEHS: instrumento medidor de diferencias de presión, consta de 2 salidas y 2 tubos flexibles,

donde un extremo de los tubos flexibles se acopla a las salidas y el otro extremo se coloca en el

punto de medición donde se desea conocer la presión.

Radiación incidente horizontal (H): Es la radiación solar incidente en una superficie horizontal.

Para poder utilizarla en una superficie inclinada debe de corregirse con un factor de corrección por

inclinación K, que permite evaluar la irradiación diaria incidente E sobre un colector inclinado,

sencillamente multiplicando H por dicho factor.

Sistemas solares pasivos: Los sistemas solares pasivos se utilizan principalmente para captar y

acumular el calor proveniente de la energía solar. Se los llama pasivos ya que no utilizan otros

dispositivos electromecánicos (bombas, ventiladores, etc.) para recolectar el calor. Esto sucede por

principios físicos básicos como la conducción, radiación y convección del calor.

Sales fundidas: Se trata de una sal que por acción del calor se funde poniéndose al rojo vivo.

Cuando la sal supera la temperatura de 801ºC cambia al estado líquido. Este líquido es estable,

tiene una capacidad calórica similar a la del agua (por volumen) y fluye de forma muy parecida a

ésta.

119

BIBLIOGRAFÍA

Barrow, G. [1975] Química General. Editorial Reverté, Barcelona, España.

Bermúdez, V. [2000] Tecnología energética. Valencia Servicio de Publicaciones de la Universidad

Politécnica de Valencia, Valencia, España.

Meinel, A.B. y M. P. Meinel [1982] Aplicaciones de la Energía Solar. Editorial Reverté, Barcelona,

España.

Morillo de Escobar, E. [1998] Energía Solar Aplicada. Editorial San José: EDUCA, San Salvador,

El Salvador.

Sánchez, I., W. Marroquín, A. Escalante y M. Ayala [2006] Determinación del potencial solar y

eólico en El Salvador. Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Universidad

Centroamericana “José Simeón Cañas” y Servicio Nacional de Estudios Territoriales. El Salvador.

Facultad de Química de Tarragona, www.quimica.urv.es, mayo 2010.

Energía alternativa de México, www.enalmex.com, abril 2010.

EMERSON Climate Technologies, www.emersonclimatemexico.com, mayo 2010.

Solar Rating, www.solar-rating.org, mayo 2010

Consejo hondureño de la Empresa Privada, www.infomipymehonduras.com, julio 2010.

Servicio Nacional de Estudios Territoriales, www.snet.gob.sv, julio 2010.

ANEXO A

CANTIDAD DE AGUA A REMOVER DEL MANGO PARA

DESHIDRATARLO

:

A-1

ANEXO A: CANTIDAD DE AGUA A REMOVER DEL MANGO PARA DESHIDRATARLO

Se desea conocer la cantidad de mango deshidratado que puede producir la planta y la cantidad

de agua que se debe remover de la fruta para obtener los resultados requeridos.

Para esto primero se deben conocer algunas características sobre el fruto a deshidratar:

Mango (Manguifera indica L.)

Es originario del Sureste de Asia, más específicamente de la India, la planta se adapta desde

23º27’ Norte hasta 23º27’ Sur con respecto al Ecuador y desde el nivel del mar hasta 1,700 msnm

en el trópico, y en el subtrópico a nivel del mar, y la temperatura óptima está entre 24 y 27 ºC

[según el Fondo Nacional de Investigación agropecuaria].

Tabla A.1: Información nutricional de 100 g. de mango:

[Fuente: Fondo Nacional de Investigación agropecuaria]

Mango Panades:

El tipo de mango que se utilizara para el cálculo y es uno de los tipos de mangos que se

deshidratará en la planta, algunas características importantes sobre este tipo de mango son las

siguientes:

A-2

Figura A 1: Mango Panades entero y partido, El Salvador, julio 2002.


El mango Panades pesa entre 160 a 253 gramos, longitud de once centímetros, ancho de seis

centímetros, de forma oblonga oval, con base prominente, cavidad basal poco profunda, pico

ligeramente formado, hombro ventral y dorsal de curva larga, seno muy poco notorio y ápice

redondeado. Cáscara lisa de color rojo, la pulpa ocupa el 80% del peso.

Consideraciones tomadas para obtener la cantidad de agua que se debe retirar de los

mangos que se desean deshidratar:

1. Secadores:

Cada secador cuenta con 30 bandejas de 1m x 0.6m de área total

Se dispone de 3 secadoras de iguales dimensiones y el flujo de aire proviene de un ducto

principal en forma paralela.

2. Mango:

Un mango cortado en rodajas ocupa aproximadamente un área de 0.0625 m2

(rodajas de

5x5cm con un total de 25 rodajas por mango)

Cada mango pesa aproximadamente 200 g del cual el 80% corresponde al peso de la

pulpa (sin semilla ni cascara, peso: 160 g)

Humedad relativa del mango de 82.7% (tomada de la tabla mostrada anteriormente)

Como estándar de fruta deshidratada se desea que la humedad relativa del producto final

sea aproximadamente entre 8% -14%. Para este caso se espera que la humedad relativa

final del producto sea del 10%.

A-3

Cálculos realizados para obtener la cantidad de agua que se debe retirar de los mangos que

se desean deshidratar:

Para estimar la capacidad máxima de mango que se podrá secar se tomara el caso más crítico en

el cual las 3 secadoras estarán completamente llenas de producto, bajo este supuesto se obtiene

la cantidad de mango requerido:

Numero de mangos que se pueden deshidratar para el área total de secado calculada:

864 mangos

Peso neto del mango a secar (sin cascara y sin semilla):

Se requiere retirar una cierta cantidad de agua del mango hasta que este tenga una humedad

relativa del 10%, para esto primero se debe conocer el peso de mango seco tomando en cuenta

que el peso del mango seco no cambiara durante el proceso de secado y sabiendo que el 17.5%

del peso de mango obtenido anteriormente es el peso de mango seco se tiene:

Para conocer la cantidad total de mango al final del proceso de deshidratado (con 10% de

humedad relativa) simplemente se debe agregar al peso sin agua un 10% de este peso y con este

cálculo se obtiene la cantidad de mango al final del proceso:

A-4

La cantidad de agua que se debe remover al mango para lograr las condiciones finales es:

Para una temperatura de salida promedio del aire de 50 oC y presión atmosférica se obtiene la

densidad del agua:

Por lo que se obtiene:

Para remover esta cantidad de agua del mango se disponen de ventiladores que distribuirán el aire

por todas las cámaras de secado con un flujo volumétrico entre 900 a 1500 m3/hr. Se deben

realizar pruebas en el lugar para conocer el tiempo aproximado de secado de la fruta ya que esto

depende de las condiciones del lugar y también depende de la época en la cual este funcionando

el sistema.

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