caracterizacion de un sistema de calentamiento de aire por medio de energia solar

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

JOS SIMEN CAAS

CARACTERIZACIN DE UN SISTEMA DE

CALENTAMIENTO DE AIRE POR MEDIO DE ENERGA

SOLAR CON ALMACENAMIENTO ENERGTICO

TRABAJO DE GRADUACIN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECNICO

POR:

ANTONIO EZEQUIEL OLIVARES CLAVEL

GUILLERMO ANTONIO TORRES FLORES

OCTUBRE 2010

ANTIGUO CUSCATLN, EL SALVADOR, C. A.

RECTOR

JOS MARA TOJEIRA, S.J.

SECRETARIO GENERAL

REN ALBERTO ZELAYA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERA MECNICA

MARIO WILFREDO CHVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

ISMAEL ANTONIO SNCHEZ

LECTOR

MARIO WILFREDO CHVEZ MOLINA

i

RESUMEN EJECUTIVO

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

aos de una manera artesanal, pero ahora gracias al desarrollo de la tecnologa de los colectores

solares y el gran auge que est teniendo la implementacin de las energas renovables, se est

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

ms sofisticados y eficientes; Esto hace muy interesante el poder conocer y evaluar cmo es el

comportamiento de estos sistemas.

Son pocos los estudios realizados sobre la utilizacin de la energa solar en el proceso de

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

objetivo de caracterizar una planta de deshidratacin de frutas, a travs de aire caliente por medio

de energa solar, ubicada en la finca Don Chimino en Guazapa, El Salvador.

Generalmente, este tipo de sistemas se construye bajo trminos empricos, con muy buenas

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

funcionamiento exacto de las plantas de deshidratacin.

La deshidratacin de frutas, es un proceso simple en el que nicamente 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 qumicamente el producto para

preservarlo.

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

utiliza es la del calentamiento directo o indirecto del aire a travs de los combustibles fsiles o

energa elctrica. Pero las dos formas citadas anteriormente tienen en comn el de depender de

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

energa limpia e inagotable, sin embargo, an con el uso de este tipo de energa hay mtodos

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

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

Un uso ptimo de la energa solar, para el calentamiento de aire, es el que se lleva a cabo a travs

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

aprovechar al mximo la energa solar trmica. Los elementos que constituyen las plantas de

deshidratacin son:

ii

Colectores solares

Ductos para el transporte de aire

Almacenamiento de energa

Cmaras de deshidratado.

Cada uno de los elementos citados tiene una funcin especfica dentro del proceso de

deshidratado.

Los colectores solares, son las mquinas encargadas de transformar la energa solar en energa

trmica, 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 m de rea cubierta por colectores solares, a estos colectores se les

ha determinado a travs de un prototipo la eficiencia con que transforman la energa.

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 conduccin del fluido de trabajo. Se gener

una metodologa para llevar a cabo tales mediciones con el equipo que se tena disponible.

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

deshidratacin evaluado, ya que permite la opcin de continuar las actividades de la planta aun

cuando ya no haya radiacin solar. Aunque el mtodo utilizado para el almacenamiento de energa

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 climticas, sin

la necesidad de radiacin solar.

El sistema de almacenamiento de energa utilizado consiste prcticamente en elevar la

temperatura de una cantidad de rocas contenidas en un espacio, cmara de piedras, a travs de

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

circulacin de la masa de aire. Una de las ventajas del sistema de almacenamiento de energa es

que no necesita de elementos mecnicos o elctricos para su funcionamiento.

La construccin de este tipo de almacenadores de energa, se realiza bajo parmetros empricos,

como lo son: la eleccin del tipo de roca, su tamao y ubicacin dentro del posito que las contiene.

En el trabajo que se ha desarrollado, se comprueba la capacidad del almacn de energa as como

la distribucin homognea del aire caliente proveniente de los colectores cuando pasa a travs del

almacn cediendo su energa trmica a las piedras.

iii

Para lograr analizar el comportamiento del almacn de energa se utilizaron termopares y

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

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

fue diseada para fines didcticos se tuvo que desinstalar partes de la planta de deshidratacin

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

Aunque los resultados obtenidos, del almacn de energa, han sido satisfactorios, dicho no

almacn no proporciona la capacidad suficiente de energa para productos que demanden de un

periodo relativamente largo de deshidratacin. De acuerdo a los resultados no es que el almacn

no funcione bien, sino por las condiciones climticas 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 almacn de energa,

para que disminuya un poco la humedad relativa del aire.

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

ingresar al almacn de energa cuando ya no haya suficiente radiacin solar; puede hacerse uso

de la biomasa generada por la misma plantacin de frutas en la Finca Don Chimino.

Las cmaras de deshidratado, son prcticamente cajas hermticas en donde se ubica el producto

que se deshidrata en pequeas rebanadas. Adentro de estas cmaras se inyecta el aire caliente

proveniente de los colectores solares o del almacn de energa para que retire la el agua de los

productos que se deshidratan. Cada cmara 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 adems se ha generado un anlisis terico aproximado del funcionamiento del

almacn de energa, colectores solares y de las condiciones del aire a su ingreso a las cmaras de

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

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

aqu presentados pueden tomarse como una referencia para futuras construcciones de

deshidratadores en nuestro pas.

NDICE

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

NDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... ix

NDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................... xi

SIGLAS .................................................................................................................................... xv

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

SIMBOLOGA. ................................................................................................................................... xix

PRLOGO.. ................................................................................................................................... xxi

CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TERICOS...................................................................................... 1

1.1. LAS ENERGAS RENOVABLES .............................................................................................. 1

1.1.1. Energa Elica .................................................................................................................... 1

1.1.2. Energa Hidrulica ............................................................................................................. 2

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

1.1.4. Geotrmica......................................................................................................................... 2

1.1.5. Energa Solar ..................................................................................................................... 3

1.2. CONCEPTOS BSICOS SOBRE RADIACIN SOLAR .......................................................... 4

1.3. CONCEPTOS BSICOS SOBRE EL AIRE ATMOSFRICO .................................................. 5

1.4. ALGUNAS PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFRICO ........................................................ 6

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

1.4.2. Presin ............................................................................................................................... 7

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

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

1.4.5. Punto de roco .................................................................................................................... 7

1.4.6. Entalpa .............................................................................................................................. 7

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

1.4.8. Volumen especfico ............................................................................................................ 8

1.5. CARTA PSICROMTRICA ...................................................................................................... 8

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

1.6.1. Secado y deshidratacin. ................................................................................................. 11

CAPITULO 2. DESCRIPCIN 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 bsicos sobre el colector solar de placa plana. ............................................. 18

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

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

2.2.3. Determinacin de la curva de funcionamiento caracterstica del colector solar. ............. 20

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

2.3. CMARAS DE SECADO. ....................................................................................................... 33

2.3.1. Conceptos bsicos sobre las cmaras de secado. ......................................................... 33

2.3.2. Descripcin de las cmaras de secado utilizadas por el sistema de deshidratado de

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

2.4. ALMACN DE ENERGA (CMARA DE PIEDRAS) ............................................................. 37

2.4.1. Conceptos bsicos sobre el almacenamiento de energa. .............................................. 38

2.4.2. Almacenamiento y uso de la energa trmica en el sistema de deshidratado de frutas. 42

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

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

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

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

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

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

3.1.1. Metodologa...................................................................................................................... 51

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

3.2. MEDICIN DE LOS VOLMENES DE AIRE QUE SE MANEJAN EN EL SISTEMA. .......... 54

3.2.1. Metodologa...................................................................................................................... 54

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

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

A LAS CMARAS DE SECADO. ................................................................................................... 64

3.3.1. Metodologa...................................................................................................................... 64

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

a las cmaras de secado. .......................................................................................................... 64

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

ALMACN DE ENERGA. ............................................................................................................. 65

3.4.1. Metodologa...................................................................................................................... 65

3.4.2. Comportamiento del almacn de energa. ....................................................................... 67

CAPITULO 4. ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE SISTEMA DE DESHIDRATADO DE

FRUTAS POR MEDIO DE ENERGA SOLAR. ................................................................................. 87

4.1. VALIDACIN DE LA CURVA DE FUNCIONAMIENTO CARACTERSTICA OBTENIDA

PARA LOS COLECTORES SOLARES UTILIZADOS POR EL SISTEMA DE DESHIDRATADO

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

4.2. ANLISIS DEL POTENCIAL DE ALMACENAMIENTO ENERGTICO DEL ALMACN DE

ENERGA DEL SISTEMA DE DESHIDRATADO DE FRUTAS..................................................... 90

4.2.1. Clculo de las propiedades energticas de las piedras utilizadas en el almacn de

energa. ...................................................................................................................................... 90

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

energtico del almacn de energa del sistema de deshidratado de frutas. ............................. 93

4.2.3. Presentacin de los resultados del anlisis para obtener el potencial de almacenamiento

energtico del almacn de energa del sistema de deshidratado de frutas .............................. 97

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

CMARAS DE DESHIDRATADO. .............................................................................................. 101

4.3.1. Marco terico. ................................................................................................................ 101

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

entrada de las cmaras de deshidratado. ............................................................................... 101

4.3.3. Caso Analizado N.1: Evaluacin de la humedad del aire cuando nicamente se retira la

energa almacenada del almacn de energa. ........................................................................ 102

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

las cmaras de secado e ingresa aire fresco al almacn de energa. .................................... 107

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

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

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

GLOSARIO.. ................................................................................................................................ 117

BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................... 119

ANEXOS

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

ix

NDICE DE TABLAS

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

pas (kWh/m/da) ................................................................................................................................ 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 da 5 de mayo de 2010 ........................... 25

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

Tabla 2.4: Irradiancia solar en Antiguo Cuscatln para el da 5 de mayo de 2010 .......................... 27

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

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

Tabla 2.7: Clculo 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 trmico de algunos materiales .................................... 40

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

Tabla 3.2: Puntos de medicin de velocidad del aire en el ducto de entrada del aire al almacn de

energa .............................................................................................................................................. 57

Tabla 3.3: Velocidades del aire medidas en el ducto de entrada del aire al almacn de energa ... 57

Tabla 3.4: Puntos de medicin 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 medicin de velocidad del aire en el ducto que conduce el aire hacia las

cmaras secadoras ........................................................................................................................... 60

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

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

Tabla 3.8: Velocidades del aire medidas en el ducto que conduce el aire hacia las cmaras

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

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

Tabla 3.10: Etapas de la evaluacin del comportamiento del almacn de energa ......................... 67

Tabla 3.11: Comparacin entre las temperaturas medidas con las cmaras de secado desactivadas

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

Tabla 3.12: Comparacin entre las temperaturas medidas con las cmaras de secado desactivadas

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

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

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

Tabla 4.2: Temperaturas de las piedras y energa acumulada por el almacn 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 almacn de energa el da 9 de mayo de 2010 ................. 99

Tabla 4.7: Temperaturas medidas en el almacn de energa el dia 10 de mayo de 2010 ............. 100

Tabla 4.8: Temperaturas medidas en el almacn de energa el da 11 de mayo de 2010 ............. 100

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

xi

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Espectro electromagntico ............................................................................................... 4

Figura 1.2: Carta Psicromtrica ........................................................................................................ 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 psicromtrica 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 instalacin en 2 dimensiones................................................................. 17

Figura 2.3: Ilustracin del efecto invernadero en un corte transversal de un colector terico.

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

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

Fuente: [Elaboracin propia] ............................................................................................................. 19

Figura 2.4: Ubicacin de los colectores solares en la planta de deshidratacin. ............................. 19

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

Figura 2.6: Tendencia de la grfica 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 medicin en el ducto del colector prototipo ................................................. 26

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

Figura 2.12: Recorrido del aire del almacn de energa hacia los colectores solares. .................... 31

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

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

Figura 2.15: Recorrido del aire caliente hacia el almacn de energa. ............................................. 33

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

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

Figura 2.18: Modelo de depsito de almacenamiento trmico horizontal relleno de piedras ........... 41

Figura 2.19: Perfil tpico tiempo-temperatura de los depsitos de almacenamiento trmico de

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

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

Figura 2.21: Operacin normal del sistema de almacenamiento de energa ................................... 43

Figura 2.22: Recuperacin de la energa almacenada ..................................................................... 44

Figura 2.23: Modelo del almacn de energa de la planta. ............................................................... 45

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

Figura 2.25: Esquema de la instalacin 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 hmedo hacia el exterior. ................................ 48

xii

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

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

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

dentro de las cmaras de secado. .................................................................................................... 49

Figura 3.1: Esquema de ubicacin de los puntos de medicin de presin en el sistema. ............... 52

Figura 3.2: Manmetro Digital. .......................................................................................................... 52

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

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

Figura 3.5: Distribucin de los puntos de medicin de velocidad del aire. ....................................... 56

Figura 3.6: Ubicacin del ducto de entrada del aire al almacn de energa ..................................... 56

Figura 3.7: Vista en planta del ducto de entrada del aire al almacn de energa con los resultados

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

Figura 3.8: Ubicacin 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: Ubicacin del ducto que conduce el aire hacia las cmaras secadoras ...................... 60

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

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

Figura 3.12: Vista en planta del ducto que conduce el aire hacia las cmaras secadoras con los

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

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

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

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

Figura 3.15: Esquema de la distribucin de los puntos de medicin en el almacn de energa. ..... 65

Figura 3.16: Ubicacin de los termopares en el almacn de energa. .............................................. 66

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

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

Figura 3.19: Condiciones de radiacin solar del da 8/05/2010 ........................................................ 68

Figura 3.20: Distribucin de temperaturas obtenidas en el almacn de energa para el da

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

Figura 3.21: Distribucin de temperaturas obtenidas en el almacn de energa para el intervalo del

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

Figura 3.22: Condiciones de radiacin solar del da 9/05/2010 ........................................................ 73


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


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

Figura 3.25: Condiciones de radiacin solar del da 10/05/2010 ...................................................... 78

xiii


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


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

Figura 3.28: Condiciones de radiacin solar del da 11/05/2010 ...................................................... 83


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

Figura 3.30: Comportamiento trmico del almacn de energa durante los das del 8 de mayo de

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

Figura 4.1: Esquema del almacn de energa utilizado para el anlisis energtico ......................... 93

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

Figura 4.3: Energa acumulada en el tiempo por el almacn de energa. ....................................... 99

Figura 4.4: Distribucin de temperaturas obtenidas en el almacn de energa para la noche del da

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

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

Figura 4.6: Esquema de la variacin 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 N1 y N 6 para el da 11/05/2010. ......... 109

Figura 4.9: Variacin 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 Calefaccin, Refrigeracin y Aire Acondicionado).

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

UCA: Universidad Centroamericana Jos Simen Caas.

xvii

ABREVIATURAS.

Asolar: rea solar

a.m.: Antes meridiano

C: Capacidad trmica especfica de un material

Cal: Caloras

Cp: Calor especfico del material utilizado

Cpagua: Calor especfico del agua

Cpaire: Calor especifico del aire

Cpfluido: Calor especfico del fluido

Cppiedra: Calor especifico de la piedra

D: Dimetro de la piedra

ec.: Ecuacin

Kpiedra: Conductividad trmica de la piedra

M: Masa del material

mpiedra: Masa de la piedra

m1: Masa inicial (Antes del proceso de deshidratado)

m2: Masa final (Despus del proceso de deshidratado)

magua: Masa de agua

maire: Flujo msico de aire

mcolector: Flujo msico de aire que circula por el colector

P1: Punto N 1 de medicin

P2: Punto N 2 de medicin

Pos: Posicin de un punto de medicin

P: Permetro de la seccin de piedra que atraviesa la corriente de aire

Qtil: Cantidad de energa real transferida al fluido

Qs: Calor sensible

Rglobal: Resistencia trmica 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

SIMBOLOGA.

GT: Irradiancia

c: Capacidad trmica volumtrica

: Difusividad trmica

K: Conductividad trmica

colector: Eficiencia del colector

m: Cambio de masa

T: Cambio de temperatura

piedra: 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

: Micras

xxi

PRLOGO.

La energa solar trmica para el calentamiento sensible de aire es el punto central del contenido.

Se desarrolla una caracterizacin de una planta de deshidratacin de frutas a travs de la energa

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

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

En el primer captulo, se genera una introduccin al campo de las energas renovables as como

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

comportamiento del aire bajo distintas condiciones termodinmicas, fluido de trabajo, as como los

cambios en sus propiedades. Una pequea introduccin a la radiacin electromagntica se

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

documento.

En el segundo captulo, se describen los componentes del sistema utilizado para la deshidratacin

de frutas, colectores solares, ductos, almacenamiento de energa y cmaras de deshidratado. Se

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

ubicacin y funcin en la planta de deshidratado.

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

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

mediciones y los resultados obtenidos, de temperatura, presin, flujos volumtricos, etc. Uno de los

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

almacn de energa. Para este componente se presentan las mediciones realizadas por cuatro

das consecutivos a travs de un dispositivo de medicin y almacenamiento electrnico de datos.

Se presentan las curvas de temperatura medidas as como un anlisis de cada uno de los

resultados obtenidos a partir de las condiciones de funcionamiento.

En el cuarto captulo, se genera una aproximacin terica del funcionamiento de algunos

componentes del sistema de deshidratacin de frutas. A travs de frmulas matemticas y

aproximaciones termodinmicas se trata de generar anlisis 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 cercana de los anlisis realizados se

han comparado los resultados obtenidos con los datos reales obtenidos.

1

CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TERICOS

1.1. LAS ENERGAS RENOVABLES

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

consecuente contaminacin ambiental, se estn fortaleciendo los estudios de las energas

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

la disponibilidad y caractersticas de la energa suministrada por las energas renovables no se

comparan en su totalidad an a la cedida por los combustibles fsiles, esta permite garantizar el

suministro parcial de energa, de forma limpia y en armona con el medio ambiente. Sin embargo,

ante los desarrollos continuos en la investigacin de los diferentes tipos de generacin de energas

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

que hoy abastece el petrleo.

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

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

de regenerarse por medios naturales.

Las energas renovables ms utilizadas hoy en da son:

Energa Elica

Energa Hidrulica

Biomasa

Geotrmica

Energa Solar

1.1.1. Energa Elica

La energa del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmsfera por el sol, y las

irregularidades de la superficie terrestre. Aunque slo una pequea parte de la energa solar que

llega a la tierra se convierte en energa cintica del viento, la cantidad total es enorme.

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

en electricidad u otro tipo de energa. stos tienen usos muy diversos y pueden satisfacer

demandas de pequea potencia (bombeo de agua, electrificacin rural, etc.) o agruparse y formar

parques elicos conectados a la red elctrica.

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 tcnicas, la energa elica es en la actualidad una

de las energas renovables ms competitivas.

1.1.2. Energa Hidrulica

La energa hidrulica 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 energa hidrulica se obtiene a partir de la energa

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

un ro. Las centrales hidroelctricas transforman en energa elctrica 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 trmino biomasa en su acepcin ms amplia incluye toda la materia viva existente en un sistema

de tiempo en la tierra. La biomasa energtica tambin se define como el conjunto de la materia

orgnica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformacin

natural o artificial.

Cualquier tipo de biomasa tiene en comn con el resto el hecho de provenir en ltima instancia de

la fotosntesis vegetal.

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

orgnicos, etc. permite generar un aprovechamiento muy completo de la energa liberada por la

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

degradacin, a veces irreversible, de bosques y sistemas generadores de vegetacin.

1.1.4. Geotrmica

Dentro del grupo de las energas renovables se destaca la energa geotrmica, que se utiliza para

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

Sin embargo, el potencial de la energa geotrmica no se limita solamente a la electricidad, sino

que tambin puede ser utilizada para la calefaccin, refrigeracin, o simplemente el agua caliente

de cualquier uso domstico.

3

La energa geotrmica es la energa renovable ms fiable debido a que su uso no depende del

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

1.1.5. Energa Solar

La energa solar se fundamenta en el aprovechamiento de la radiacin solar para la obtencin de

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

electricidad.

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

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

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

econmico. Desde el punto de vista ecolgico, la energa solar no tiene competencia, pues es

renovable y limpia.

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

una alternativa atractiva:

Aspecto econmico: Inicialmente resulta ms caro un sistema de captacin de energa

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

energa gratuita del sol mientras que el calentador convencional utiliza gas de origen fsil

que no es gratuito, de igual manera el calentador por energa elctrica tiene sus costos

tanto en la generacin como en la distribucin de dicha energa. El gasto acumulado que

implica la compra mes a mes de un combustible o de energa elctrica llega pronto a

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

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

mayor independencia energtica con respecto a las compaas de gas o de electricidad,

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

Aspectos ecolgicos: No menos importante que lo anterior es la implicacin ecolgica

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

calentamiento de algn fluido en especfico, se deja de liberar una gran cantidad de

anhdrido carbnico a la atmsfera y de contribuir al calentamiento global y a la

contaminacin atmosfrica.

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

se aprovecha para la generacin de energa elctrica, sino tambin 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

energas renovables, especficamente de la energa solar, se presenta el anlisis y caracterizacin

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 BSICOS SOBRE RADIACIN SOLAR

Se entiende como radiacin solar la radiacin electromagntica 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 mayora de la radiacin solar cae entre las

longitudes de onda de 0.5 a 120 micrmetros, y la radiacin de importancia prctica a los usuarios

de energa solar cae entre 0.15 y 3.0 micrmetros. Las longitudes de onda de la radiacin visible

estn entre 0.4 y 0.75 micrmetros (ver figura 1.1). La cantidad de energa radiada por el Sol se

estima a una razn de 3.8x1023

kJ/s.

Figura 1.1: Espectro electromagntico

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

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

gira alrededor del Sol en una rbita elptica 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 rotacin de la tierra est inclinado 23.45

con respecto a su rbita alrededor del Sol. La distribucin de la radiacin solar sobre la superficie

de la tierra y su variacin a lo largo de la duracin del da es el resultado de la posicin inclinada de

la tierra, su rotacin diaria y su traslacin anual. Es decir, la radiacin solar recibida en la superficie

de la tierra no es constante.

Una de las ventajas de El Salvador, es su ubicacin geogrfica que le permite una radiacin

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

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

5

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

pas.

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

pas (kWh/m/da)

PROMEDIO ANUAL

Min Max Mean

Ahuachapn 4.82 4.87 4.84

Chalatenango 4.92 4.93 4.92

Cojutepeque 5.00 5.03 5.01

La Unin 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

Usulutn 4.96 5.00 4.99

Zacatecoluca 5.01 5.02 5.01

Fuente: [Snchez, 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 radiacin solar

horizontal de 5.5 kWh/m durante todo el ao.

1.3. CONCEPTOS BSICOS SOBRE EL AIRE ATMOSFRICO

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

principales gases que lo componen son: oxgeno, nitrgeno, bixido de carbono, hidrgeno, vapor

de agua, y un porcentaje muy pequeo de gases raros como argn, nen, ozono, etc.

El aire sin contenido de vapor de agua se conoce con el trmino de aire seco, aunque el aire

atmosfrico siempre cuenta con un porcentaje especfico 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 trmino utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire, ya sea

a la intemperie, o dentro de un espacio. La humedad est "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 comn, se dice que el aire contiene humedad, y es conveniente hacerlo as, 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",

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

sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturacin, como el aire. Un vapor est en sus

condiciones de saturacin o no muy lejos de ellas, como el vapor de agua. As pues, el vapor de

agua o "humedad" en un espacio, puede estar en una condicin de saturacin o ligeramente arriba

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

sobrecalienta.

En algunas pocas del ao, incluso durante un mismo da, el aire atmosfrico contiene ms

humedad que en otras. En realidad, la mxima variacin en el contenido de humedad, nunca pasa

de ms de unos cuantos gramos por metro cbico, lo que es una fraccin extremadamente

pequea del peso total del aire y humedad en la atmsfera (a menos que est lloviendo).

1.4. ALGUNAS PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFRICO

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

termodinmicas para definir su estado es de vital importancia. El estado termodinmico adecuado

garantizar que la operacin o proceso desarrollado por el fluido de trabajo se efectu

satisfactoriamente.

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

los anlisis posteriores.

1.4.1. Temperaturas

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

de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Temperatura de bulbo hmedo: corresponde a la temperatura medida con un termmetro de bulbo

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

un termmetro ordinario. La evaporacin 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. Presin

La presin es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que acta, es decir,

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

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

atmosfrica, denominndose presin relativa o presin manomtrica. Consecuentemente, la

presin absoluta es la presin atmosfrica ms la presin manomtrica.

1.4.3. Humedad relativa

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

dada de aire, en comparacin con la cantidad de humedad que el aire tendra, 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 definicin ms tcnica de humedad relativa

sera la relacin de la fraccin mol del vapor de agua presente en el aire, con la fraccin mol del

vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura y presin. 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 est basada en la humedad absoluta, bajo las

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

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

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

1.4.5. Punto de roco

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

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

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

1.4.6. Entalpa

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

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

8

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

entalpa no es no es una propiedad medible a travs de instrumentos, sino que se deriva del

conocimiento de otras propiedades.

1.4.7. Densidad

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

1.4.8. Volumen especfico

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

de la densidad.

1.5. CARTA PSICROMTRICA

Una carta psicromtrica, es una grfica que permite conocer las propiedades del aire atmosfrico,

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

especfico. La carta psicromtrica se utiliza para ejemplificar diferentes procesos y determinar,

cmo varan las propiedades del aire al cambiar alguna de ellas. La carta psicromtrica puede

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

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

mar.

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

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

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

aceptar anlisis 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 determinara si el calentamiento

es el suficiente para alcanzar una humedad relativa ptima. Como ejemplo, supngase que a la

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

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

9

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

detalla grficamente en la carta psicromtrica 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. Adems, 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 (lnea azul). Por lo

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

aproximada de 55C.

10

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11

1.6. FUNDAMENTOS TERICOS SOBRE EL DESHIDRATADO DE FRUTAS

El secado o desecacin es uno de los procesos ms antiguos de preservacin de alimentos. En los

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

proliferar y quedan detenidas la mayora de las reacciones qumicas y enzimticas de alteracin.

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

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

un producto deshidratado estn influenciados fuertemente por la operacin de secado. La calidad

se evala por la cantidad de degradaciones fsicas y bioqumicas que ocurren en el alimento y

depende de la temperatura y del tiempo de secado.

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

1.6.1. Secado y deshidratacin.

Aunque ambos trminos se aplican a la eliminacin del agua de los alimentos, en la tecnologa de

los alimentos el trmino secado se refiere a la desecacin natural, como la que se obtiene

exponiendo el producto a la accin directa del sol. El xito de esta tcnica se le atribuye a su

simplicidad y bajo costo. Bajo condiciones climticas 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 insolacin hay riesgo de que el producto se pudra.

Se designa deshidratacin al secado por medios artificiales, como la exposicin del producto a una

corriente de aire caliente.

La deshidratacin implica el control sobre las condiciones climticas del aire caliente dentro de una

cmara o el control de un medio circundante. Los alimentos secados en cmaras de deshidratado

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

menos terreno para la actividad de deshidratacin.

12

Dos mtodos son los ms utilizados y probados hasta ahora para deshidratar productos, que se

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

Deshidratado Solar: Consiste en utilizar al sol como fuente energtica 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

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

en forma mucho ms eficiente y limpia.

Deshidratado Mecnico: 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 psicromtrica.

A continuacin se desarrolla un anlisis del proceso de calentamiento y deshidratado de un

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

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

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

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

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 ste para

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

que le permiten a ste absorber humedad, nicamente 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 cmara donde se

deshidrata es de 60C.

5. La temperatura del aire que sale de la cmara es de 45C.

6. Cuando se agrega humedad sin incrementar la energa, el proceso se desarrolla a entalpa

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

salir de la de cmara 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 psicromtrica, 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 (60C) y el punto C cuando el aire sale de la

cmara 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 psicromtrica es vlido para

un momento determinado, ya que, a medida va cambiando el tiempo, tambin varan las

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

psicromtrico distinto.

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

producto deshidratndose y la cantidad de agua que ste contiene al momento que se ingresa a

las cmaras de deshidratado. Si estos datos son conocidos puede conocerse la razn a la que se

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

esto variar dependiendo del flujo de aire caliente que ingrese a las cmaras deshidratadoras.

14

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: [E

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17

CAPITULO 2. DESCRIPCIN 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 travs del deshidratado

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

calentamiento de aire, almacenamiento de energa, conduccin del aire y deshidratado en las

cmaras secadoras.

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

solares, cmaras de secado, cmara de piedras (almacn de energa) y ductos para el transporte

de aire caliente.

Una vista general de la instalacin ubicada en la finca Don Chimino se muestra en la figura 2.1 y

un esquema de la ubicacin y relacin de cada elemento en la figura 2.2.

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

Fuente: [Elaboracin propia]

Figura 2.2: Esquema de la instalacin en 2 dimensiones.

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

18

A continuacin se presenta una descripcin del funcionamiento de cada uno de los componentes

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

2.2. COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA.

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

Esta es la mquina que transforma la energa radiante del Sol en energa trmica, la cual es

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

bsicamente como una cmara cerrada, aislada trmicamente que consta de dos elementos

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

La cubierta transparente permite el paso de la radiacin 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 misin es

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

La radiacin emitida por el absorbedor depende de la temperatura que ste tenga, pero en

condiciones normales de funcionamiento emite radiacin con una longitud de onda ms o menos

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

efecto invernadero dentro del colector.

En un colector terico 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 est

construida de vidrio) comienza tambin a emitir radiacin. Aproximadamente la mitad de esta

radiacin se emite hacia el exterior, perdindose, pero la otra mitad vuelve hacia el interior y

contribuye as a calentar an ms la superficie del absorbedor. Este ltimo fenmeno es lo que se

conoce como efecto invernadero.

19

Figura 2.3: Ilustracin del efecto invernadero en un corte transversal de un colector terico.

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

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


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

de frutas.

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

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

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

Figura 2.4: Ubicacin de los colectores solares en la planta de deshidratacin.


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

define como la razn entre la energa til y la energa 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 continuacin el anlisis

realizado para determinar la eficiencia de los colectores.

2.2.3. Determinacin de la curva de funcionamiento caracterstica del colector solar.

La curva de funcionamiento permitir determinar la eficiencia de operacin de los colectores

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

transforman la energa de la radiacin solar en energa trmica.

Metodologa para la obtencin de la curva de funcionamiento caracterstica del colector.

Para la obtencin de esta grfica se utilizaron los colectores de una planta de deshidratacin a

escala (30:1) que se encuentra instalado en la Universidad Centroamericana Jos Simen Caas

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 instalacin en estudio.

Figura 2.5: Colector solar de placa plana.


Para obtener la grfica de funcionamiento, se aplic el anlisis a un colector de placa plana que

tiene como fluido de trabajo el aire.

El anlisis, como ya se mencion, se realiz en un prototipo de colector el cual tiene un rea solar

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

del sistema de deshidratado de frutas que en total tienen un rea solar de 60 m.

21

Para obtener la curva de eficiencia de los colectores solares se sigui 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 volumtrico 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 medicin se debe obtener la eficiencia por medio de la siguiente ecuacin:

(ec. 2.1)

Donde:

= Eficiencia del colector

Cantidad de energa real transferida al fluido

Irradiancia (W/m)

Asolar = rea solar (m2)

Pero antes debe encontrarse la cantidad de energa que realmente se est depositando en el fluido

caloportador a travs de la siguiente ecuacin:

(ec. 2.2)

Donde:

= Flujo msico de aire que circula por el colector

= Calor especfico del fluido

= Temperatura de salida del aire del colector

= Temperatura de entrada del aire al colector

Para ver grficamente 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 trmino para cada momento de medicin:

Trmino utilizado para poder generar la grfica

22

Donde:

= Temperatura de entrada del aire al colector (C)

= Temperatura ambiente (C)

Irradiancia (W/m)

Tanto la eficiencia como el trmino se utilizan para construir la grfica que muestra

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

Figura 2.6: Tendencia de la grfica mostrada por ASHRAE

Fuente: [ASHRAE Standard 93-97]

El objetivo final de todo el procedimiento es obtener esta grfica la cual muestra cmo se comporta

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

Medicin de las variables involucradas en la determinacin de la curva de

funcionamiento caracterstica del colector solar.

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

prototipo, y otros se tomaron de la estacin meteorolgica ubicada en la Universidad

Centroamericana Jos Simen Caas. Los momentos de medicin en el colector prototipo fueron

sincronizados con los momentos de medicin de la estacin meteorolgica, 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

da 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 volumtrico de aire que circula por el colector prototipo

Irradiancia

Medicin 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 configuracin del colector prototipo, el aire calentado a travs del colector entra

previamente a una cmara para posteriormente, con la ayuda de un ventilador de succin, pasar a

la cmara de secado (la instalacin prototipo no tiene almacn de energa).

El termopar ubicado para registrar la temperatura a la entrada al colector se coloc 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 registr la temperatura a la salida se ubic dentro de la cmara previa a la cmara

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 automtico de datos

Hydra data logger, el cual almacen 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


Medicin de la temperatura ambiente.

Para la medicin de la temperatura ambiente se utiliz la estacin meteorolgica de la Universidad

Centroamericana Jos Simen Caas UCA. Los datos obtenidos se aprecian en la tabla 2.2:

25

Tabla 2.2: Mediciones de temperatura ambiente para el da 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]

Medicin del flujo volumtrico de aire que circula por el colector prototipo.

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

instrumento de medicin de flujo volumtrico Fluke 975 Airmeter with Velocity. El instrumento de

medicin arroja como resultado directo el flujo volumtrico, una vez se le ingresa el rea del ducto

en el cual se mide, adems permite obtener un promedio de un nmero especfico 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 medicin utilizados para medir el flujo de aire en el ducto del colector prototipo se

muestran en la figura 2.10, este ducto se construy entre la cmara donde ingresa el aire despus

de ser calentado y la cmara de secado justo despus del ventilador:

26

Figura 2.10: Puntos de medicin 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 separacin de 2.66 cm entre cada

punto.

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

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

medicin del flujo volumtrico necesariamente tena que realizarse para los intervalos de tiempo

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

los flujos volumtricos medidos:

Tabla 2.3: flujo volumtrico que circula por el colector prototipo


Punto de medicin P1

(m3/hr)

Punto de medicin 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

Medicin de la Irradiancia.

Las mediciones de Irradiancia se obtuvieron de la estacin meteorolgica de la Universidad por

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

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

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

Tabla 2.4: Irradiancia solar en Antiguo Cuscatln para el da 5 de mayo de 2010


Radiacin 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 procedi a realizar los clculos 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 msico del aire que circula por el colector prototipo.

Calor til

Eficiencia

El cociente

28

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

especfico del mismo a la temperatura media.

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

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 especfico se determin utilizando la temperatura media de cada punto de medicin (a

travs de la ecuacin 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 especfico del aire que circula por el colector prototipo


Temperatura Media del

colector (C)

Calor especfico (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


Clculo del flujo msico del aire que circula por el colector prototipo.

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

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

especfico del aire a travs del software EES. Luego se dividi el caudal obtenido (transformndolo

29

a m3/s) en la medicin entre el volumen especfico y se obtuvo el flujo msico que circula por el

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

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


Caudal (m

3/hr)

Volumen especfico

(m3/kg)

Flujo msico (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


Clculo del calor til, eficiencia y del cociente .

Una vez que se obtuvieron todas las variables se procedi al clculo del calor til, el cual est

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

2.7:

Tabla 2.7: Clculo de la eficiencia del colector prototipo


Calor til (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

Anlisis de los resultados.

Con los resultados obtenidos se procedi a obtener la curva de funcionamiento caracterstica del

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

Figura 2.11: Curva de funcionamiento caracterstica del colector solar prototipo


En la norma ASHRAE 93-77 no se especifica si se deben utilizar todos

caracterizacion de un sistema de calentamiento de aire por medio de energia solar

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