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cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Rediseño de un Secador de Moldes de Yeso

Presentada por

Karla María Aguilar Castro Ing. Químico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dr. José Jassón Flores Prieto

Co-Director de tesis:

Dr. Martín Eduardo Baltazar López Cuernavaca, Morelos, México. 05 de Diciembre de 2008

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Rediseño de un Secador de Moldes de Yeso Presentada por

Karla María Aguilar Castro Ing. Químico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dr. José Jassón Flores Prieto

Co-Director de tesis: Dr. Martín Eduardo Baltazar López

Jurado:

Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Presidente Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor– Secretario

Dra. Ivonne Chávez Chena –Vocal Dr. José Jassón Flores Prieto – Vocal suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 05 de Diciembre de 2008

ÍNDICE

Índice

Pàg.

Lista de Figuras. iv

Lista de Tablas. vi

Nomenclatura. vii

Resumen. ix

Abstract. xi

Pàg.

CAPÍTULO I. Introducción.

1.1 Antecedentes y motivación. 2

1.2 Revisión bibliográfica. 5

1.2.1 Tipos de secadores y cinética de secado. 5

1.2.2 Selección y evaluación de secadores. 9

1.2.3 Diseño de secadores. 12

1.2.4 Instrumentación. 16

1.2.4.1 Sensor de humedad. 16

1.2.4.2 Sensor de temperatura. 17

1.2.4.3 Sensor de flujo másico. 18

1.2.4.4 Sensor de radiación solar. 19

1.2.5 Conclusión de la revisión bibliográfica. 19

1.3 Objetivo general. 21

1.4 Estructura de la tesis. 21

CAPÍTULO 2. Modelo físico y modelo de evaluación térmica del secador.

2.1 Marco teórico. 23

2.1.1 Física del secado. 23

2.1.2 Períodos de secado. 25

2.1.3 Secadores convencionales y secadores solares. 27

2.2 Modelo físico. 29

2.3 Modelo de evaluación térmica del secador. 30

2.3.1 Cinética y constante de secado. 31

i

ÍNDICE

2.3.2 Desempeño del sistema de secado. 32

2.3.3 Eficiencia del sistema de captación solar. 32

2.3.4 Eficiencia del sistema de calentamiento de agua. 33

2.3.5 Eficiencia del sistema de calentamiento de aire. 33

CAPÍTULO 3. Diseño del secador.

3.1 Metodología de diseño del secador. 36

3.2 Revisión y evaluación del Prototipo 1. 38

3.2.1 Revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales

del secador prototipo 1.

38

3.2.2 Evaluación y análisis del desempeño del Prototipo 1. 40

3.3 Propuestas de nuevas alternativas funcionales 42

3.3.1 Tiempos y movimientos. 42

3.3.2 Homogenización en el secado. 43

3.3.3 Aprovechamiento de la energía solar. 44

3.3.4 Mejoramiento del sistema de captación solar. 46

3.3.5 Análisis de la estructura física del Prototipo 1. 50

3.4 Resultados de la revisión, evaluación y propuesta de nuevas alternativas

funcionales del Prototipo 1.

51

3.5 Aplicación de la metodología de diseño estructurado a las anteriores y nuevas

alternativas funcionales.

53

CAPÍTULO 4. Implementación de las nuevas alternativas funcionales.

4.1 Construcción del Prototipo 2. 62

4.1.1 Mesa de vaciado. 62

4.1.2 Estructura de la cámara. 63

4.1.3 Cubierta de la cámara de secado. 65

4.1.4 Suministro de aire. 66

4.1.5 Salidas de aire. 70

4.1.6 Adaptación del sistema de colectores solares. 71

4.2 Equipo experimental. 72

4.3 Instrumentación y control del sistema de secado. 75

ii

ÍNDICE

4.4 Comportamiento térmico del Prototipo 2. 78

CAPÍTULO 5. Análisis costo-beneficio de implementación de las nuevas

alternativas funcionales.

5.1Análisis comparativo de los secadores. 83

5.1.1 Peso y costo de la cámara. 83

5.1.2 Homogenización en el secado. 87

5.1.3 Aprovechamiento de la energía solar. 89

5.1.4 Mejoramiento del sistema de captación solar. 90

5.1.5 Análisis de la estructura física de los prototipos 1 y 2. 91

5.2 Conclusión del análisis comparativo. 92

CAPÍTULO 6. Conclusiones y recomendaciones para trabajos futuros.

6.1 Conclusiones. 94

6.2 Recomendaciones para trabajos futuros. 96

Bibliografía. 97

Apéndice A. Procedimiento de evaluación del secador. 101

Apéndice B. Metodología de diseño estructurada. 104

Apéndice C. Dibujos de taller del Prototipo 2. 107

Apéndice D. Mapa de diseño de ductos circulares. 111

Apéndice E. Cálculo de incertidumbres. 113

Apéndice F. Manual de operación del Prototipo 2. 120

iii

LISTA DE FIGURAS

Lista de Figuras

Figura Descripción Página1.1 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de cerámica. 3 2.1 Perfil de secado de un sólido. 26 2.2 Clasificación de secadores. 28 2.3 Modelo físico del sistema de secado. 30 2.4 Modelo experimental del sistema de secado. 31 3.1 Diagrama de flujo de la metodología utilizada para el diseño del

nuevo secador. 37

3.2 Diagrama esquemático del sistema de secado solar. 39 3.3 Sistema de secado con suministro de energía solar. 40 3.4 Historia del contenido de humedad promedio de los moldes de yeso. 41 3.5 Localización de los moldes dentro de la cámara de secado. 43 3.6 Historia de la disminución de peso de cuatro moldes en la prueba 2. 44 3.7 Esquema de suministro de energía propuesto para el proceso de

secado del Prototipo 2. 45

3.8 Historia del contenido de humedad de los moldes de yeso, en las prueba 3 y 4.

46

3.9 Energía en MJ de cada módulo del sistema de secado en la Prueba 3. 49 3.10 Energía en MJ de cada módulo del sistema de secado en la Prueba 4. 49 3.11 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso (a) Isométrico y

(b) Vista frontal. 59

3.12 Esquema del ducto de distribución de aire de la cámara de secado de moldes de yeso.

59

3.13 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso (a) Isométrico con tapa abierta, (b) Vista frontal abierta y (c) Vista lateral.

60

4.1 Mesa de vaciado. 62 4.2 Costillas de la cámara de secado. 63 4.3 Unión de las costillas al marco de la estructura de la cámara. 63 4.4 Marco de la estructura de la cámara. 63 4.5 Unión de la estructura de la cámara con la mesa de vaciado. 64 4.6 Instalación de las secciones de soporte de la cámara de secado. 64 4.7 Base de aluminio para los ventiladores. 65 4.8 Sujetador con alambre en zig-zag. 65 4.9 Instalación de la cubierta de la cámara de secado. 66 4.10 Unión de la cubierta superior con las tapas laterales de la cámara. 66 4.11 Soporte para el ducto de aire. 66 4.12 Ducto de aire para pruebas experimentales. 67 4.13 Dispositivo 1 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del

ducto. 68

4.14 Dispositivo 2 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.

69

iv

LISTA DE FIGURAS

4.15 Gráfica de altura y voltaje de los orificios de salida contra longitud del

ducto. 70

4.16 Construcción de las chimeneas para los ventiladores. 70 4.17 Cubierta de las chimeneas de los ventiladores. 71 4.18 Instalación de ventiladores en la cámara de secado. 71 4.19 Deterioro en los colectores solares. 72 4.20 Colectores solares después del mantenimiento. 72 4.21 Cámara de secado, Prototipo 2. 73 4.22 Equipo experimental para el secado de moldes de yeso. 73 4.23 Comportamiento de la humedad relativa del aire en el Prototipo 2,

Prueba 1 con una duración de 8 días de secado. 78

4.24 Comportamiento de la temperatura del aire en el Prototipo 2, Prueba 1 con una duración de 8 días de secado.

80

5.1 Historia del comportamiento de la disminución de peso de seis moldes de yeso ubicados en diferentes posiciones para los prototipos 1 y 2.

88

5.2 Historia de la disminución del contenido de humedad en los moldes de yeso para los prototipos 1 y 2.

88

5.3 Historia del consumo de energía de la cámara de los prototipos 1 y 2. 89 5.4 Eficiencia de los cuatro sistemas evaluados del secador. 90

v

LISTA DE TABLAS

Lista de Tablas

Tabla Descripción Página3.1 Criterios de diseño. 38 3.2 Resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para la Prueba 1. 42 3.3 Resultados obtenidos en la evaluación del Prototipo 1 para las pruebas

2 y 3. 47

3.4 Criterios considerados en el diseño de la cámara de secado. 51 3.5 Declaración de la necesidad, Nivel 1 de la metodología de diseño

estructurado. 53

3.6 Niveles considerados para el diseño de la cámara de secado. 54 3.7 Opciones de evaluación del Nivel 3 de la metodología estructurada de

diseño. 54

3.8 Criterio de calificación para la matriz de evaluación. 55 3.9 Matriz de evaluación del Nivel 3. 56 3.10 Tabla de descripción de los criterios de evaluación del Nivel 3. 57 3.11 Resultados de la aplicación de la metodología de diseño estructurada. 58 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de

secado. 76

5.1 Tabla comparativa de costos de materiales de la cámara de secado. 83 5.2 Tabla comparativa de pesos de materiales de la cámara de secado. 85 5.3 Comparativo del tiempo de secado y constante de secado entre los

prototipos 1 y 2. 91

vi

NOMENCLATURA

Nomenclatura Simbología Descripción Unidades

cA Área de captación solar. m2

Cp Calor específico. J/kg K

G Energía solar global incidente sobre el sistema de captación

solar.

2W m

H Altura. m

lgh Calor latente de vaporización del agua. kJ/kg

ambHR Humedad relativa del aire a temperatura ambiente. %

THR Humedad relativa del aire a la salida del sistema de

calentamiento de aire.

%

CHR Humedad relativa del aire al interior de la cámara de secado. %

k Constante de secado. 1h−

L Longitud. m

m Masa de los moldes de yeso. kg

cm•

Flujo másico de agua en el interior de los colectores. kg/s

Tm Masa de agua contenida en el termotanque. kg

intm•

Flujo másico de aire a la salida del intercambiador de calor. kg/s

remm Masa de agua removida de los moldes de yeso. kg

M Contenido de humedad del producto. %

tM Contenido de humedad en base seca. %

eM Contenido de humedad del producto esperado cuando

alcanza el equilibrio con el aire seco.

%

tm Peso del producto húmedo. kg

dm Peso del producto seco. kg

η Eficiencia del secador. Adimensional

collη Eficiencia del sistema de captación solar. Adimensional

vii

NOMENCLATURA

i ntη Eficiencia del sistema de calentamiento de aire. Adimensional

SCη Eficiencia del sistema de calentamiento de agua. Adimensional

P Potencia. W

ambQ Energía proporcionada por el ambiente. MJ

camQ Energía suministrada a la cámara de secado. MJ

collQ Energía captada por el sistema de captación solar. MJ

EVQ Energía de evaporación. MJ

GQ Energía ganada por la radiación solar en la cámara de secado. MJ

intQ Energía suministrada al intercambiador de calor. MJ

1Q Energía entregada al sistema de calentamiento de aire. MJ

2Q Energía entregada a la cámara de secado. MJ

3Q Energía de la cámara de secado pérdida hacia el ambiente. MJ

1PQ Energía del sistema de calentamiento de agua pérdida hacia el

ambiente. MJ

2PQ Energía del sistema de calentamiento de aire pérdida hacia el

ambiente.

MJ

SCQ Energía almacenada en el termotanque. MJ

ambT Temperatura ambiente. °C

CT Temperatura al interior de la cámara de secado. °C

1CT Temperatura a la entrada del sistema de captación solar. °C

2CT Temperatura a la salida del sistema de captación solar. °C

PCT Temperatura promedio al interior de la cámara de secado. °C

TT Temperatura al interior del termotanque. °C

1T Temperatura del aire a la salida del sistema de calentamiento

de aire.

°C

t Tiempo. h

V Voltaje. V

viii

RESUMEN

Resumen

En la fabricación de cerámica en el Estado de Morelos, la etapa de secado de

moldes de yeso implica una elevada relación del tiempo de la etapa de secado entre el

tiempo del resto de las etapas, la relación puede estar en el intervalo de 10 a 20

dependiendo del tipo de secado que utiliza el cliente, por lo que el secado ha generado

grandes expectativas de optimización para el proceso de fabricación de cerámica en el

gremio.

En este trabajo se presenta el resideño de un secador solar para moldes de yeso,

considerando la reducción de tiempos y movimientos, la homogenización en el secado y

el uso eficiente de la energía. El desarrollo del secador consistió en tres etapas: el diseño,

la construcción y la caracterización térmica. En el diseño se consideraron los

requerimientos y restricciones principales que se utilizaron en un secador preliminar

(Prototipo 1). También, se consideró la experiencia de evaluar la operación del secador,

la reducción de costos de fabricación, la reducción de tiempos y movimientos en la

producción de cerámica, la reducción del peso del secador y el ahorro de energía. Los

requerimientos, las restricciones y las alternativas funcionales que surgieron en el

rediseño del nuevo secador se utilizaron como datos de entrada en una metodología de

diseño estructurada que permitió proponer el nuevo diseño. Las alternativas funcionales

propuestas fueron evaluadas de manera relativa entre ellas mismas para cada

requerimiento. En el caso del desempeño del ducto y la cubierta, las alternativas

funcionales se evaluaron de manera experimental. La evaluación del desempeño térmico

del sistema de secado permitió conocer la constante de secado y la eficiencia térmica de

cada sección del secador.

La evaluación se realizó mediante pruebas al exterior, el colector solar respetando

la norma ANSI/ASHRAE 9386, el sistema de captación solar (SCA) se evaluó

considerando la ganancia de calor en el tanque de almacenamiento, el sistema de

calentamiento de aire se evaluó considerando el volumen de aire calentado y el sistema

de secado considerando la cantidad de agua removida de los moldes. La metodología de

evaluación por secciones utilizada permitió optimizar el funcionamiento de manera

ix

RESUMEN

separada de cada una. El uso de materiales y configuraciones más adecuadas permitió

reducir el costo de fabricación en un 30.6%, también se logró de manera adicional el uso

de la energía solar directa con lo que el consumo de energía del SCA se redujo en un

30%. Por otro lado, un ducto de suministro de aire que pierde su volumen cuando no

opera, permitió mayor maniobrabilidad en la cama de secado y aumentó la homogeneidad

en un 46%. Con respecto al secador solar anterior (Prototipo 1), se mejoró la continuidad

en el secado, se mejoró el tiempo de secado ceramista en un 27.3%, se mejoró la

constante de secado en un 7.8% y se redujo el peso del secador en 51.8%. Por otro lado,

la eficiencia térmica del Prototipo 2 se mejoró en 5% respecto al Prototipo 1. Finalmente,

con la reducción del peso del secador y la nueva estrategia de llenado y vaciado de la

cámara se redujeron los tiempos y movimientos en el secado de moldes de yeso.

x

ABSTRACT

Abstract

Pottery manufacturing in Morelos involves several stages; one of them is the mold

drying stage, which compared to the other stages of the whole process it represents one of

the longest which can be between 10 and 20 times longer, depending on the procedure

followed by the manufacturer; for this reason many expectations among the pottery

wokers union of Morelos have been araisen from this part of the process, focused on the

optimization of pottery fabrication.

This research work presents the redesign of a solar dryer for plaster molds,

focused on reducing time and movements, homogenization in the drying process and the

efficient use of energy. The development of the dryer was set up in three stages: design,

construction and characterization. During the design stage, the requirements and main

restrictions from a previous design (Protype 1) were taken into account. Experience on

evaluating the dryer's operation, reduction on fabrication costs, reduction on time and

movements during the production process, reduction on the dryer's weight and energy

efficiency were also considered. The requirements, restrictions and functional alternatives

arisen during the redesign of the new dryer were used as input data in a structured design

methodology that allowed us to propose the new design. The proposed functional

alternatives were evaluated relatively to each other, for each requirement. For the

performance evaluation of the duct and the cover, the functional alternatives were

evaluated experimentally. The thermal performance evaluation of the drying system

allowed us to know the value for the drying constant and the thermal efficiency for every

section of the dryer.

The evaluation was carried out on outside tests, for the solar collector it was according to

the Standard ANSI/ASHRAE 9386; the solar harnessing system was evaluated taking

into account the heat gain in the storage tank, the air heating system was evaluated

considering the heated air volume, and the drying system with the amount of water

removed from the molds. The applied methodology that was carried out by sections

allowed us to optimize the performance for each section in an independent way. The use

of alternative materials and proper modifications to the configuration reduced the

xi

ABSTRACT

fabrication costs on 30.6%, another achievement was the use of direct solar energy from

which a reduction of 30% on energy consumption was obtained. Additionally an air

supply duct capable to reduce its volume when it is not in operation, let us increase

maneuverability on the drying bed and subsequent increment on the homogeneity of

46%. With respect to the previous solar dryer (Prototype 1), continuity on the drying

process was improved, as well as the drying time by 27.3%, the drying constant was

improved by 7.8% and the weight of the dryer was reduced by 51.8%. On the other hand,

thermal efficiency of prototype 2 was improved by 5% regarding to prototype 1. Finally,

reduction on the dryer weigh and the new strategy for filling up and casting process, the

times and movements of the drying mold process were reduced.

xii

INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1

Capítulo 1

Introducción

En este capítulo se presenta el marco teórico conceptual y las generalidades de esta

tesis, donde se enfatiza sobre tipos de secadores existentes, diseño de secadores, criterios

o parámetros importantes en la selección y evaluación de secadores. Finalmente, se

presenta el objetivo, los alcances de este proyecto y una descripción general de la

estructura de esta tesis.

1


1.1 Antecedentes y motivación.

La actividad económica en el Estado de Morelos se divide en varios sectores, como

son: agricultura, ganadería, industria, turismo, comercio y servicio. El sector industrial

forma parte del sector secundario que constituye el 25.75 % de la actividad económica

del Estado (según el Censo de 2000), dentro del sector industrial se encuentra la industria

manufacturera donde destaca la industria textil, la cerámica y la de sustancias químicas

derivadas del petróleo (INEGI, 2006). En la actualidad, el Sector Industrial en el estado

de Morelos se encuentra en una etapa intermedia de desarrollo. En el estado predominan

los pequeños establecimientos industriales de manufacturas, en el ramo artesanal,

alimentos y bebidas, minerales no metálicos y productos metálicos, maquinaria y equipo.

La pequeña y micro industria paulatinamente han incrementado su capacidad de

generación de empleos, sobre todo los talleres de manufacturas de tipo familiar; la

industria de la cerámica del Estado de Morelos es un ejemplo de este tipo.

Los ceramistas en el Estado de Morelos comúnmente realizan el proceso de secado

de moldes de manera artesanal, sin atender de forma considerable la posibilidad de

reducir los tiempos, movimientos y espacios utilizados. En general, el proceso de

fabricación de cerámica consiste en nueve etapas principales, iniciando por la

elaboración del moldes de yeso, pasando por el secado de moldes, llenado y vaciado de

cerámica, remoción y primera cocción de la pieza, decoración, cocción final y finalmente

almacenamiento de la pieza (Figura 1.1). En el proceso una vez que se tienen elaborados

los moldes de yeso y se han secado (paso 1 y 2), los pasos restantes, que van del llenado

de la pasta hasta el empaque y almacenamiento se pueden realizar en un solo día. Sin

embargo, la etapa de secado representa un punto crítico dentro de su proceso de

fabricación, ya que como se muestra en la Figura 1.1 el tiempo puede ser de 10 a 20 días

con cualquier método de secado de los que actualmente se utilizan.

2


Inicio del proceso

Elaboración de moldes de yeso

Secado de Moldes de

yeso

Llenado Se vierte el barro

líquido en el molde

Secado al sol

(Tiempo ≈ 10 días)

Secado a la sombra


Secado con desecho de hornos


1

2

Después de 1 semana del uso de los moldes se sacan del proceso de fabricación para su secado.

3

Se espera a que se forme una capa delgada en el

molde (Tiempo aproximado de

45 a 90 minutos)

4Vaciado Se retira el exceso de barro

líquido de los moldes de yeso

Remover la pieza cerámica (crudo) del molde yeso y limpiarlas para eliminar

imperfecciones

Primera cocción de la pieza cerámica

Aproximadamente a 900°C , después de esta cocción se llama bizcocho

Decoración y vitrificación del bizcoch

Cocción de la pieza final Aproximadamente 1050°C

Empaque y almacenamiento de l

cerámica

Fin del proceso

3
Figura 1.1 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de cerámica.
5

6

o7

. 8

a 9


Los ceramistas para reducir los costos en el secado utilizan espacios sombreados

aireados, utilizando tiempos considerables, también utilizan la exposición directa al sol

y/o la energía de desecho de los hornos. El secado al ambiente es una técnica útil en los

días secos soleados, sin embargo, tiene la desventaja que depende de las condiciones

climáticas, requiere una superficie grande para el secado, requiere de largos tiempos de

exposición al sol provocando consecuentemente degradación acelerada de los moldes por

los rayos ultravioleta. La técnica de secado al ambiente también tiene la desventaja de

cortar la continuidad de la producción, reducir la calidad y la vida útil de los moldes, al

exponerlos a temperaturas mayores de 55ºC o a la radiación solar directa a excepción del

secado a la sombra. El secado en sombra evita el deterioro del producto, sin embargo, es

un proceso lento por lo que el producto está expuesto al desarrollo de hongos que

también acelera la degradación.

Actualmente, en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

(CENIDET) se cuenta con un prototipo de secado de moldes que utiliza energía solar, el

cual se desarrolló a solicitud de un grupo del gremio de ceramistas reunidos por

CANACINTRA-MORELOS (Flores, 2006). El prototipo reportado permite reducir el

tiempo de secado de moldes de yeso de 3-4 semanas a una semana respecto del secado al

aire libre, además permite realizar a la vez la etapa de vaciado y secado, lo cual

representa para los Ceramistas una reducción de hasta un 60% en sus tiempos y

movimientos en el proceso de fabricación de cerámica. Con esto, el prototipo se

contempla que pueda reducir los costos de fabricación de la cerámica.

Las contribuciones de este trabajo son un rediseño del primer prototipo de secador

existente en CENIDET, Prototipo 1, ya que se han revisado los procedimientos del diseño

y los resultados de su funcionamiento encontrándose oportunidades para su optimización.

Las oportunidades detectadas se presentan principalmente en: distribución del flujo de

aire dentro de la cámara de secado, utilización del calor de desecho de hornos, utilización

de la energía solar de manera directa, materiales de fabricación y peso del secador entre

otros.

4


1.2 Revisión bibliográfica.

Con muy pocas excepciones, la mayoría de los productos de la industria de la

cerámica de hoy sufren el proceso de secado en alguna fase u otra de su proceso de

fabricación, esto debido a que los materiales necesitan tener una humedad particular para

la siguiente etapa en el proceso o para su venta. El proceso de secado se lleva acabo en

secadores, actualmente, cerca de 400 tipos de secadores se han reportado de los cuales

cerca de 100 tipos son los más utilizados.

1.2.1 Tipos de secadores y cinética de secado.

La clasificación para los secadores es muy ámplia, sin embargo, la más general esta

dada por el método con el que se lleva acabo la transferencia de calor, puede ser:

convección, conducción y radiación. Estos secadores a su vez, se subdividen de acuerdo

al tipo de contenedor del secador: charolas, tambor, túnel, aspersión, etc. Es posible

hacer una subclasificación adicional de los secadores respecto a su funcionamiento, esto

es por lote o de manera continua, pero generalmente es innecesario ya que un

determinado secador puede funcionar de ambas maneras. En la actualidad existe una gran

variedad de estudios experimentales y teóricos realizados sobre estudios de secado de

diferentes materiales (frutas, vegetales, cerámicas, materiales de construcción, etc.) con

diferentes secadores. Estos estudios nos proporcionan información sobre el

funcionamiento, el desempeño térmico y la cinética de secado de varios productos.

Ratti y Mujumdar (1997) presentaron el modelado del comportamiento de un

secador de charolas por lote, para camas de rodajas de zanahoria y manzanas, entre otros

productos. El modelo de secado a convección forzada considera las ecuaciones de

conservación de masa y energía en fase sólida y gaseosa, con una velocidad baja de flujo

de aire, partiendo del modelo matemático desarrollado por Ratti (1991). El sistema de

ecuaciones diferenciales parciales se resuelve por diferencias finitas, utilizando el método

de línea por línea. Los resultados de la simulación son comparados con datos

experimentales publicados obteniendo resultados satisfactorios. Los resultados más

importantes muestran que al incrementar el flujo de aire puede reducirse

5


considerablemente el tiempo de secado. Sin embargo, los autores consideran importante

evaluar esta factibilidad económicamente.

Vellhuis y Denissen (1997) presentaron un procedimiento para optimizar

secadores industriales para la cerámica. El procedimiento consiste en desarrollar

experimentos de secado en productos del mismo tamaño en un secador a escala de

laboratorio, mediciones de las características del secador y en simulación con software

DrySim (Kemp et al., 2004). DrySim es un programa comercial flexible de simulación en

el cual un usuario puede modelar secadores con los componentes predefinidos. El

parámetro que se optimiza en el estudio es el uso del aire de residuo de hornos. En este

estudio se presentan dos ejemplos, la optimización de una cámara de secado y la

optimización de un secador de túnel. En ambos ejemplos los resultados mostraron que

recirculando los residuos de aire de los hornos en el secador se puede incrementar la

cantidad de producto seco utilizando la misma cantidad de energía, con lo cual se

reduciría el costo de energía.

Misra et al. (2002) presentaron la cinética de secado de diferentes tipos de

cerámicas, tales como: la Alúmina, Bohemita y Plomo Zirconio Titanio (PTZ). El trabajo

experimental establece la utilidad de controlar el secado para obtener cerámica de alta

calidad, lo cual involucra detalles de análisis de velocidad de secado y su correlación con

el encogimiento el cual fue supervisado utilizando una cámara digital. Las cerámicas se

mezclaron con otros componentes y las mezclas se extruyeron en forma de tubos de

100mm a diferentes velocidades y con diferentes diámetros de tubo. En el estudio, de

cada material cerámico se obtuvieron y secaron 35 tubos de pasta de dimensiones

definidas en un período de 27 horas. Después del secado se observó que la Bohemita

presentó el mayor porcentaje de encogimiento (19%) y el PTZ el menor porcentaje de

encogimiento (1%). Los resultados más relevantes de este trabajo indican que el grado de

macro-grietas en la cerámica fue reducido operando con baja humedad relativa. Por otra

parte, el uso de un sistema de secado, junto con el monitoreo de la cámara digital mostró

ser una combinación efectiva de técnicas experimentales en la determinación de las

características de secado de materiales cerámicos.

6


Babalis y Belessiotis (2004) presentaron pruebas experimentales de secado de higos

en un secador de túnel a escala de laboratorio, para establecer la influencia de las

características del flujo de aire en el funcionamiento del proceso de secado. El secador

utiliza aire ambiente calentado y un equipo de monitoreo continuo. El secador de túnel

tipo bandeja estática puede secar hasta 3kg de producto fresco. La sección de secado

consiste en un soplador centrífugo, una resistencia eléctrica en la sección de

calentamiento de aire, una sección de humectación vapor/aire, sensores de medición y un

sistema de adquisición de datos. Las pruebas de secado se realizaron en un intervalo de

temperaturas de 55-85°C y el flujo de aire de 0.5-3 m/s. El efecto de la temperatura del

aire y la velocidad en las constantes de secado fue determinado mediante el ajuste de

datos experimentales utilizando técnicas de análisis de regresión. En los resultados se

muestra una fuerte influencia de la temperatura del aire y de la velocidad en la primera

etapa de secado (2 horas), así como una influencia poco significante en las etapas de

secado posteriores. También, en los resultados se muestra que el aumento de la velocidad

de flujo de aire en el secador no tiene ningún efecto significativo por arriba de los 2m/s.

Por otra parte, las temperaturas del aire más altas (85 y 75°C) afectan perceptiblemente la

velocidad de secado en las primeras etapas de secado, pero su efecto relativo disminuye

después de un período de cerca de 10-15 horas. Los autores concluyen que la cinética de

secado es significativamente más afectada por la temperatura, manteniendo la influencia

de la velocidad de flujo de aire limitada en el proceso de secado.

Moropoulou et al. (2005) presentaron el estudio del efecto de la temperatura del

aire, humedad del aire y velocidad de aire en el proceso de secado de algunos

materiales de construcción: materiales de piedra, ladrillos y yesos. Los experimentos para

determinar la influencia de variables del proceso en la cinética de secado se llevó acabo

en un secador de aire convectivo con condiciones controladas. Los experimentos de

secado fueron realizados con un tamaño de muestra de cada material de 3x3x3cm3, en

cuatro niveles de temperatura del aire (20, 30, 35 y 40°C), tres niveles de la velocidad de

aire (1, 3 y 8 m/s) y seis niveles de higrometría del aire (30, 40, 50, 60, 70 y el 80%).

Antes del comienzo del experimento las muestras fueron saturadas con agua destilada.

Los resultados mostraron que el contenido de agua del material en equilibrio es afectado

fuertemente por la temperatura y la humedad de aire circundante. En los resultados

7


también se muestra que los valores de las constantes del tiempo de secado disminuyen

con la velocidad del aire y aumentan con la humedad del aire en todos los materiales

examinados, con un rango de variación que depende del tipo del material examinado.

Karoglou et al. (2005) presentan un estudio de la cinética de secado de algunos

materiales de construcción, específicamente el estudio del efecto de algunas condiciones

de secado en el progreso del proceso de secado de dichos materiales. En el estudio se

consideraron cuatro diferentes materiales de piedra, dos ladrillos, y seis tipos de yesos

utilizando un secador de aire convectivo con condiciones de aire de secado controlado.

Los experimentos de secado se realizaron con muestras de 3x3x3cm3 de cada material y

antes del comienzo de la prueba, las muestras fueron saturadas con agua sumergiéndolas

en agua destilada. La cinética de secado se llevó acabo en tres niveles de temperatura del

aire (entre 20 y 45°C), cinco niveles de higrometría del aire (entre 10 y 80%) y tres

niveles de velocidad de aire (entre 1 y 8 m/s). En los resultados se muestra que mientras

se aumenta la humedad del aire, la constante de secado disminuye perceptiblemente para

todos los materiales, mientras que un aumento de la velocidad de aire lleva a valores de

constantes de secado más altas. También se muestra que la tasa de secado depende del

tamaño de poro de los materiales, que restringen la difusión del vapor de agua dentro del

material poroso o restringen la circulación del aire.

En esta sección de la revisión bibliográfica puede concluirse que los secadores a

convección forzada son los más comúnmente utilizados en el secado de alimentos,

cerámica y materiales de construcción. El proceso de secado puede llevarse a acabo

suministrando un flujo de aire a diferentes velocidades. Por otra parte en el proceso de

secado de un producto, la cinética de secado es uno de sus parámetros característicos más

importantes, la cual se obtiene monitoreando el contenido de humedad del producto en el

tiempo. Los resultados de los estudios muestran que mientras aumenta la humedad del

aire, la constante de secado disminuye perceptiblemente en el proceso de secado del

producto, mientras que un aumento de la velocidad del aire lleva a valores de constantes

de secado mayores. Entre mayor sea el valor de la constante de secado, el tiempo de

secado se reduce y la eficiencia aumenta. Por otro lado, los resultados de los estudios de

esta sección muestran que al incrementar el flujo de aire puede reducirse

8


considerablemente el tiempo de secado, mientras que el incremento del volumen en el

producto provoca tiempos de secado más largos. Sin embargo, los autores consideran

importante evaluar la factibilidad económica del aumento del flujo de aire en el proceso

de secado.

1.2.2 Selección y evaluación de secadores.

La selección de un tipo conveniente de secador se realiza considerando las

características del producto a manipular, la sensibilidad del material a la temperatura,

los límites de temperatura alcanzable con una fuente de calor particular (Mujumdar,

2006). El desempeño de un secador se puede caracterizar de acuerdo a su capacidad o

efectividad energética, la tasa de humedad extraída (kg/h) indica la capacidad del

secador, la tasa de extracción de humedad específica (kg/kw h) define la efectividad de la

energía usada en el proceso de secado.

Schlünder (1982) realizó una clasificación de secadores que abarcan el estado

físico del producto así como el tiempo que el producto permanecerá en el secador (tiempo

de retención). Para tiempos de secado muy breves (<1 min), se utilizan los secadores tipo

flash, aspersión, o de tambor. Para tiempos de secado muy largos (>1 h), solamente son

apropiado los secadores tipo túnel, carro, o los secadores de transportador. La mayoría de

los secadores funcionan en un intervalo intermedio, para lo cual está disponible un

amplio surtido de secadores. El autor también muestra un resumen del tipo de secador en

función del tipo de producto a secar, este último puede ser una mezcla, una pasta, un

producto de filtración, polvos, gránulos, cristales, pellet, material fibroso o material

compuesto.

Fuller y Charters (1997) presentaron el estudio realizado para un secador de túnel

que fue construido y probado en Australia. Un rasgo distintivo del secador es el sistema

de microprocesador usado para el control del extractor. El secador consta de bandejas

rotatorias donde se coloca la cosecha de uva fresca. El aire suministrado al secador es

calentado por tres resistencias eléctricas pequeñas, y el aire húmedo es removido por un

ventilador. El proceso de secado se llevó a cabo en dos etapas, en la primera etapa, la

temperatura alta en el secador se sacrificó para que el flujo de aire a través de la cosecha

9


redujera la probabilidad de infestación de mosca (para una humedad en la

cosecha). En la segunda etapa, a cierto contenido de humedad, se empleó un

procedimiento diferente para aumentar al máximo la temperatura en el secador. Usando

las dos etapas en el proceso de secado, el tiempo de operación del ventilador se redujo en

67% comparado con las operaciones continuas del ventilador. Reduciendo la operación

del ventilador se maximiza la temperatura del aire en el secador. Con este proceso el

tiempo de secado se redujo en 40% comparado con el secado bajo el sol. Las

temperaturas más altas se encontraron entre 50 y 60° C, y la temperatura promedio de

operación estuvo en 10°C arriba del promedio de la temperatura ambiente de bulbo seco.

50%⟩

Leon et al. (2002) propusieron un procedimiento de prueba y evaluación de

secadores solares de alimentos, dando la metodología, condiciones de prueba y una hoja

de evaluación de la muestra a secar. Los autores llevaron a acabo una revisión

bibliográfica detallada de los métodos y parámetros utilizados en la prueba y evaluación

de diversos tipos de secadores solares de alimento. Los resultados de la revisión

bibliográfica revelan que en la literatura no hay disponible un procedimiento estándar

para evaluar el funcionamiento de secadores solares de alimentos, ya que en los

diferentes estudios reportados cada autor considerada varias figuras de merito diferentes.

También, los autores destacan que en los estudios encontrados en la literatura, los

parámetros de evaluación que se utilizan son insuficientes y sugieren considerar

parámetros adicionales (uniformidad de secado, requisitos de espacio, facilidad de

construcción, etc.), y mencionan que el uso de estos parámetros facilitaría el comparativo

de diversos secadores solares de alimentos. Como resultado del estudio, los autores

desarrollaron un procedimiento de prueba y evaluación de secadores solares de alimentos

en donde se han incluido los parámetros adicionales propuestos. Adicionalmente, los

autores presentan hojas de evaluación, en donde pueden reportarse las observaciones

durante cada prueba de secado, que junto con los gráficos de las curvas de secado y

consumo de energía de secado podría proporcionar un cuadro completo de los secadores,

facilitando así análisis comparativos futuros.

Gbaha et al. (2007) presentaron el estudio de un secador solar directo con flujo de

calor por convección natural. En este estudio se muestran los detalles de la construcción e

10


instrumentación del secador. En el estudio se realizaron pruebas de secado de yuca,

plátanos y mango en rebanadas. Se analiza la influencia de los parámetros significativos

que gobiernan la transferencia de calor y masa, así como la radiación solar incidente, el

flujo total de aire al secador y la eficiencia para evaluar su funcionamiento térmico. En

este estudio, los resultados obtenidos son la cinética de secado y la eficiencia del secador,

de acuerdo a los autores estas son las principalmente figuras de merito utilizadas para

evaluar secadores solares. La eficiencia del secador se puede calcular con la

determinación de los parámetros, como temperatura ambiente, temperatura en la cámara

de secado, el flujo de aire que se suministra al secador y los flujos de calor incidente en el

secador. Lo anterior, con el fin de desarrollar un modelo predictivo y mejorar el

dimensionamiento del Prototipo de secador elaborado. Los resultados obtenidos de este

estudio muestran que la eficiencia térmica es directamente proporcional al flujo másico

de aire en el secador, por lo que la velocidad de secado aumenta con la temperatura y el

flujo másico de aire.

De la revisión bibliográfica de esta sección, puede concluirse que para la selección de

secadores los parámetros que deben considerarse son el tipo de producto que se va a

manipular así como el tiempo que este permanecerá en el secador, siendo la manipulación

del producto a secar una de las consideraciones dominantes en la selección del secador.

Por otra parte, los principales criterios usualmente utilizados para la evaluación de

sistemas de secado solar son la cinética de secado y la eficiencia térmica del secador,

estos criterios permiten desarrollar un modelo predictivo y mejorar el dimensionamiento

del Prototipo de secador elaborado. Sin embargo, algunos autores sugieren considerar

parámetros adicionales en la evaluación de secadores tales como uniformidad de secado,

requisitos de espacio, facilidad de construcción, entre otros; con el fin de facilitar el

comparativo de diversos secadores solares. Finalmente, los resultados de las pruebas de

secado de estos estudios muestran que la eficiencia térmica del secador es directamente

proporcional al flujo másico de aire en el secador, por lo que la velocidad de secado

aumenta con la temperatura y el flujo másico de aire.

11


1.2.3 Diseño de secadores.

El diseño implica una serie de pasos que deben cumplirse para obtener resultados

satisfactorios. En la literatura existen varios trabajos que involucran diseño y

construcción de secadores, los parámetros considerados en el diseño varían de autor en

autor, sin embargo, coinciden en algunos puntos como se ve a continuación.

Pangavhane et al. (2002) presentaron el desarrollo de un nuevo secador solar por

convección natural que consta de un calentador solar de aire y una cámara de secado. El

producto sometido al proceso de secado en este estudio fueron uvas. Se construyó e

instrumentó el calentador solar de aire de placa plana y la cámara de secado. El

calentador solar se inclino 45° sobre la superficie y se adaptó a la cámara de secado y

ambos se montaron sobre una estructura a pocos centímetros del piso. Las uvas

recibieron un tratamiento previo antes de entrar a la cámara de secado para mejorar la

permeabilidad del agua, luego fueron cortadas y colocadas en las bandejas dentro de la

cámara. A la par se colocaron uvas en bandejas para secarse a sombra y otras al sol

abierto para comparar el tiempo de secado de los tres métodos. Durante la

experimentación, los datos meteorológicos así como la temperatura interior de la cámara

de secado y la masa de las uvas (para los tres métodos) fueron registrados de 8.00 AM a

5.00 PM cada hora. Los resultados mostraron que el secador solar desarrollado es capaz

de producir una temperatura media entre 50 y 55°C, que es óptimo para la deshidratación

de las uvas así como para la mayor parte de las frutas y verdura. El flujo de aire de secado

aumenta con el aumento en la temperatura ambiente por la fuerza de flotación térmica en

el colector. Los resultaron también mostraron que el secador solar reduce el tiempo de

secado de las uvas en un 43% comparado con el secado a sol abierto. Además los

resultado de la evaluación sensorial y del análisis químico, mostraron que la cualidades

organolépticas de la uva secada en el secador solar eran mejores.

Bennamoun y Belhamri (2003) presentaron el diseño y modelado teórico de un

secador solar por lotes que esta formado por un secador de charolas y un colector solar

para calentar el aire en el proceso de secado. En el estudio se secaron rebanadas de

cebolla, considerando el efecto de encogimiento, con baja incidencia de energía solar. El

12


diseño del sistema considera que: requiere poco espacio, facilidad de limpieza y

mantenimiento. Además, se diseñó para que en el caso de que la temperatura del aire del

colector sea menor a 50°C, pueda conectarse un calentador de gas auxiliar para mantener

la temperatura constante. El modelado teórico del secador se realiza mediante balances de

calor y masa globales en la cámara de secado y en el colector, la solución de las

ecuaciones se realizó utilizando el método iterativo, basado en el método de Gauss

Seidel. En el estudio se presentan dos casos: 1) sin calentamiento auxiliar, 2) con

calentamiento auxiliar. En los resultados se muestra que el secado es afectado por la

superficie del colector, la temperatura del aire y las características del producto, donde el

incremento del diámetro del producto provoca mayor resistencia al secado. Además, los

resultados muestran que para secar 25kg de producto en cada charola se necesita un

tiempo de secado de 15 horas. Por otra parte, se encontró que el colector solar por lote

con una superficie de 3m2 permite secar cerca de 250kg de cebolla por día, con una

temperatura del aire en el colector de 50ºC. Los autores concluyen que este sistema de

secado se considera eficaz y barato para productos agrícolas.

Flores (2006) presentó el diseño y construcción de una cámara de secado de moldes

de yeso para la industria cerámica, alimentado con energía solar térmica. Para el estudio

se utilizaron moldes de yeso que se definieron en tres tamaños: chico (14x12.5x15.5cm3),

mediano (21x17.5x19cm3) y grande (40x55x40cm3). Para diseñar y dimensionar el

sistema de calentamiento de agua, para el sistema de secado se utilizo el programa

SCADES (Algoritmo de simulación para Sistemas de Calentamiento de Agua utilizando

Energía Solar) de Olarte (2005). Para obtener las curvas de secado de los moldes de yeso

se realizaron pruebas experimentales en laboratorio considerando el tamaño del molde,

las condiciones de velocidad y dirección del aire, la humedad relativa y la temperatura. El

diseño y dimensionamiento de la cámara de secado se realizó considerando las curvas de

secado de moldes de yeso, los requerimientos y restricciones del cliente y del producto a

secar, considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de temperatura y

humedad de aire, temperatura de los moldes no mayor a 50ºC y la optimización en el

consumo de la energía. Los resultados obtenidos con las pruebas de secado en

laboratorio muestran que después del proceso de humectación al cual fueron sometidas

las muestras se encontró que en promedio se debe extraer 400gr de agua por cada

13


kilogramo de molde húmedo. Además, se encontró que suministrando aire a condiciones

constantes pueden obtenerse moldes secos en tres días partiendo de moldes húmedos y

que el tiempo de secado no depende de manera considerable del tamaño del molde, sino

únicamente del porcentaje de agua que se esta removiendo de cada molde. Por otra parte,

con las pruebas realizadas en la cámara de secado diseñada, se encontró que es posible

secar los moldes con energía solar en un lapso de una semana.

Baltazar et al. (2006) presentaron el modelado, diseño y construcción de un

prototipo de secador solar basado en el estudio desarrollado por Flores (2006). El

Prototipo de secador solar se compone de una cámara de secado para moldes de yeso y

sistema de abastecimiento de energía solar térmica (colector-tanque). La metodología de

diseño del Prototipo de secador esta basada en la identificación de los parámetros críticos,

requerimientos y restricciones del cliente y producto y en el cuestionamiento de manera

separada de cada una de ellas utilizando una metodología de diseño estructurada. El

sistema de abastecimiento de energía solar térmica se modeló en el programa SCADES.

El modelado en el programa SCADES permitió dimensionar el colector solar, el tanque

térmico, el flujo de agua de la bomba y suministró información acerca de las posibles

temperaturas en el tanque térmico. La información obtenida del modelado virtual fue

empleada para el diseño y construcción del prototipo real acondicionado para el proceso

de secado. La cámara de secado se diseñó para reducir el tiempo de secado de moldes de

yeso en no más de 4 días.

A continuación se presentan algunos documentos sobre metodologías de diseño

empleadas para la solución de problemas de diseño ingenieril:

Wallace y Clarkson (1999) presentaron un documento de introducción a los

procesos de diseño, en el cual se describe una metodología estructurada de diseño. Esta

metodología consta de cuatro fases principales de diseño: entender la necesidad principal,

conceptualizar el diseño, esquematizar el diseño y detallar el diseño. Cada una de estas

fases consta a su vez de sub tareas, que atacan partes específicas del diseño. La

implementación de esta metodología proporciona una solución óptima a la necesidad

planteada inicialmente.

14


Seyyed K. (2005) presentó un documento introductorio a la ingeniería de diseño,

este documento proporciona información para el diseño en general, basado en las

experiencias del autor. La metodología de procesos propuesta se basa en cinco pasos

principales para la solución de problemas de diseño: primer paso definir el problema,

segundo paso recabar la información pertinente, tercer paso generar múltiples soluciones,

cuarto paso analizar y seleccionar una solución y quinto paso probar e implementar la

solución. Para el cuarto paso, el autor propone matrices de solución en donde las

soluciones generadas son evaluadas de acuerdo a criterios fijados por el diseñador

asignando calificaciones siendo la solución elegida la de mayor puntaje. Finalmente, el

autor recomienda que sí se ha desarrollado una solución original a un problema de

diseño, este sea patentado para proteger los derechos del diseñador. Esta metodología

puede ser aplicada a diversos problemas de diseño.

De la revisión bibliográfica de los trabajos de esta sección de diseño de secadores

puede concluirse que aunque el producto a secar varía de autor en autor, los parámetros

considerados para el diseño de los diferentes secadores son muy similares. La

metodología de diseño de secadores utilizada, en general, se basa en cinco pasos

principales: primero definir el problema, segundo recabar la información pertinente,

tercero generar múltiples soluciones, cuarto analizar y seleccionar una solución y quinto

probar e implementar la solución. Para utilizar esta metodología de diseño, en cada caso

se deben considerar los requerimientos y restricciones del cliente y del producto a secar,

considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de temperatura y

humedad de aire, la sensibilidad del producto a la temperatura y la optimización del

consumo de la energía. Adicionalmente, algunos autores proponen considerar en el

diseño otros parámetros como: espacio disponible, facilidad de limpieza y mantenimiento

del secador. La metodología de diseño y las consideraciones mencionadas anteriormente

se considerarán en el diseño del secador del presente estudio.

15


1.2.4 Instrumentación.

La instrumentación del secador es importante debido a que nos permite monitorear

las variables involucradas en el proceso de secado, tales como humedad relativa del aire,

temperatura, flujo másico y radiación solar. Por lo cual, dentro de la revisión

bibliográfica se incluyeron artículos sobre instrumentación, como se ve a continuación.

1.2.4.1 Sensor de humedad.

Chou et al. (1999) presentaron el estudio de poros cerámicos hechos de fibra

cerámica, de caolín y sal de sodio de celulosa metil-carboxil (CMC), como sensores de

humedad. La cerámica porosa se mezcló con diversas proporciones de fibra cerámica,

caolín y una sal de sodio en agua desionizada. Después del secado y la molienda, la

mezcla fue compactada y se formaron placas. Se analizaron cinco muestras con diferentes

características respecto a composición, tamaño de poro, área superficial, porosidad, entre

otros. Alambres de cobre se colocaron en los electrodos para hacer mediciones eléctricas,

de esta manera quedó constituido el sensor de poros cerámico. El sensor fue puesto en un

compartimiento de cristal para mediciones de humedad. La impedancia CA (corriente

alterna) en una frecuencia de 100 hz fue utilizada para medir la resistencia de las

muestras bajo varias atmósferas húmedas. Los resultados muestran que la impedancia

disminuyó rápidamente en un intervalo alto de humedad relativa y viceversa. El área

superficial específica es la principal microestructura para detectar la humedad bajo

condiciones de humedad relativa baja, mientras que el volumen del mesoporo domina

bajo condiciones de humedad relativa alta. En este trabajo se demostró la viabilidad de

una nueva cerámica porosa como sensor de humedad, hecha de las materias primas de

cerámica ordinaria.

Yamazoe y Shimizu (1986) describieron varias clases de sensores de humedad

basados en propiedades eléctricas para la detección de humedad. El trabajo describe

también el principio, fabricación y aplicación de cada uno de los tres grupos de sensores

de humedad: electrolitos, polímeros orgánicos y poros cerámicos. Los autores consideran

que los sensores de humedad deben cubrir los siguientes requerimientos: buena

sensibilidad, respuesta rápida, buena reproducibilidad y no histéresis, durabilidad y larga

16


vida, resistencia a los contaminantes, dependencia insignificante de la temperatura,

estructura simple y de bajo costo. Dentro de la gama de sensores descritos en este trabajo

es importante rescatar que los sensores de humedad de poros cerámicos desde el punto

de vista de esfuerzos mecánicos, capacidad de temperatura o resistencia al ataque

químico son los mejores candidatos para sensores químicos. Los resultaron mostraron

que la resistencia del poro cerámico decrece exponencialmente conforme aumenta la

humedad relativa. Estos sensores utilizan la impedancia o capacitancia de los elementos

para la detección de la humedad.

De los estudios anteriores puede rescatarse que los sensores de humedad de tipo

cerámicos son un concepto viable de aplicación. Sin embargo, se requiere más

investigación para aprovechar su potencial y conocer sus limitaciones.

1.2.4.2 Sensor de temperatura.

ANSI/ASHRAE (1986) presenta la norma 41.1-1986 dirigida a los métodos para

medición de temperatura. En esta norma se presentan metodologías para la realización de

la medición de temperatura en componentes de equipos para calentamiento, refrigeración

y aire acondicionado. Los instrumentos que recomienda esta norma para la realización de

medición para la temperatura son: a) termómetro de líquido en vidrio, b) termopares y c)

termómetros de resistencia eléctrica incluyendo termistores. Esta norma contiene técnicas

generales para la medición de temperatura en flujo de fluidos como son aire, agua ó

refrigerantes no volátiles. La norma recomienda para el caso de medición de temperaturas

en fluidos como agua y refrigerantes no volátiles que la precisión del instrumento debe

ser de ±0.1ºC, la tolerancia recomendada durante las pruebas es 0.3ºC y la tolerancia

recomendada para las condiciones de prueba es de 0.1ºC. Todas estas recomendaciones

son aplicables en un intervalo de medición de temperaturas de 1 a 43ºC. También, la

norma recomienda que los elementos o sensores de medición de temperaturas deben ser

insertados dentro de un dispositivo de mezclado y en contacto directo con el fluido para

poder realizar la medición de temperaturas. La calibración de estos sensores se debe

realizar por comparación con un instrumento previamente calibrado por algún instituto de

estandarización y realizar la compensación necesaria en la medición de temperaturas.

17


Para la medición de la temperatura el Termistor comúnmente conocido como

LM35, es un sensor de temperatura para el intervalo de -55 a 150ºC, con una

incertidumbre de 0.5ºC. El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el más

común es el to-92 que es de la misma forma que un transistor con 3 pines, dos de ellas

para alimentarlo y la tercera nos entrega un voltaje proporcional a la temperatura medida

por el dispositivo. El LM35 funciona en el intervalo de alimentación comprendido entre 4

y 30V. En comparación con un termopar o un dispositivo de temperatura de resistencia

(RTD) cuya relación temperatura-voltaje es polinomial, un LM35 tiene una relación

temperatura-voltaje de tipo lineal. Este tipo de sensores tienen una disponibilidad alta en

el mercado con relación a los termopares u otros tipos de sensores eléctricos de

temperatura. Su costo de instalación es menor ya que no requiere de elementos

secundarios como temperatura de referencia, y su función no se ve alterada si la fuente no

es constante dentro de su intervalo de alimentación.

±

1.2.4.3 Sensor de flujo másico.

En el año 2001 el grupo de trabajo de Florida Solar Energy Center (FSEC, 2001)

publicó el documento No. 200., revisión 1, en donde se describen las pruebas de calibración

de flujo másico que circula en un colector solar plano por medio de un medidor tipo turbina.

El objetivo de este documento es proporcionar una metodología para obtener mediciones de

flujo másico de agua en el colector solar con un valor constante y con repetitividad (Castillo,

2005).

El medidor de flujo tipo turbina se aplica para medir el flujo de agua. Hoy en día,

los medidores de flujo de turbina axial se utilizan para una variedad de aplicaciones en

las que se requiere precisión y confiabilidad en las mediciones. Un ejemplo de este tipo

de medidor de flujo másico es el Flújometro GPI cuyo intervalo de medición es de 0.5-

30lt/min con una incertidumbre de medición de ± 2.0% de la medición, que es el

medidor de flujo que se utiliza en el experimento de este trabajo. Este instrumento esta

compuesto por un rotor tipo turbina concéntricamente montados sobre un eje cilíndrico

dentro de un alojamiento, a través del cual pasa la corriente del fluido. El eje o eje de los

cojinetes se encuentran suspendido en unos difusores. Por lo tanto, el flujo que pasa a

través de una región anular ocupada por las paletas del rotor, que generalmente son

18


planas, se inclinan en un ángulo respecto a la velocidad de flujo incidente y, por tanto, un

par es generado en el rotor. La tasa de rotación, es detectada por un sensor tipo

magnético, y el registro de cada paleta infiere el paso de un volumen fijo de fluido.

1.2.4.4 Sensor de radiación solar.

Un piránometro es normalmente una termopila, compuesta por una serie de

termopares en serie, con uniones alternadas calentada por el sol. Algunos piranómetros

utilizan un sensor fotovoltaico de silicio (celdas solares) para medir la radiación solar.

Estos últimos sensores tienen cero sensibilidad por encima de alrededor de 1,2 µm y de la

respuesta espectral por debajo de 1,2 µm.

ISO 9847 (1992) presenta una metodología experimental para calibrar piranómetros

en campo mediante la comparación con un piranómetro de referencia. En el documento se

presentan dos metodologías que son: método al medio ambiente utilizando la energía solar y

el método al interior utilizando un simulador de radiación solar como fuente. La norma indica

que el piranómetro de referencia debe ser de tipo clase uno y mostrar una alta estabilidad. La

metodología para realizar la prueba de calibración del piranómetro en exteriores señala que

se debe realizar al medio día solar, el piranómetro de referencia y el piranómetro a calibrar

deben de ser colocados sobre una tabla de referencia y orientados al medio día solar.

También, la norma indica que la prueba debe realizarse con cielo claro y que las mediciones

de voltaje en ambos instrumentos deben realizarse cada 10 ó 20 minutos, durante dos ó tres

días. Posteriormente, se desarrolla el análisis de los resultados para corregir el valor de la

constante del piranómetro a calibrar (Castillo, 2005).

1.2.5 Conclusión de la revisión bibliográfica.

Después de la revisión bibliográfica sobre secadores puede concluirse que los

secadores a convección forzada son los más utilizados en secado de alimentos, cerámica

y materiales de construcción. La selección del tipo de secador a utilizar depende del tipo

de producto que se va a manipular así como el tiempo que este permanecerá en el

secador, siendo la manipulación del producto una de las consideraciones dominantes en

la selección del secador. Con respecto al diseño de secadores aunque el producto a secar

varía de autor en autor, los parámetros considerados para el diseño de los diferentes

19


secadores son muy similares. La metodología de diseño utilizada en general es la

propuesta por Seyyed K. (2005) y Wallace y Clarkson (1999), la cual se basa en cinco

pasos principales: primero definir el problema, segundo recabar la información

pertinente, tercero generar múltiples soluciones, cuarto analizar y seleccionar una

solución y quinto probar e implementar la solución. Para utilizar esta metodología de

diseño, en cada caso se deben considerar los requerimientos y restricciones del cliente y

del producto a secar, considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de

temperatura y humedad de aire, la sensibilidad del producto a la temperatura y la

optimización del consumo de la energía. Adicionalmente, algunos autores proponen

considerar en el diseño otros parámetros como: espacio disponible, facilidad de limpieza

y mantenimiento del secador. Por otra parte, para la evaluación de sistemas de secado

solar los principales criterios utilizados son: la cinética de secado y la eficiencia térmica

del secador, estos criterios permiten desarrollar un modelo predictivo y mejorar el

dimensionamiento del Prototipo de secador elaborado. Los resultados de los estudios

muestran que mientras aumenta la humedad del aire, la constante de secado disminuye

perceptiblemente en el proceso de secado del producto, mientras que un aumento de la

velocidad del aire lleva a valores de constantes de secado más altas. Por otro lado, los

resultados de los estudios reportados también muestran que al incrementar el flujo de aire

puede reducirse considerablemente el tiempo de secado, mientras que el incremento del

volumen en el producto provoca tiempos de secado más largos. Sin embargo, es

importante evaluar esta factibilidad económicamente. Finalmente, los resultados

muestran que la eficiencia térmica del secador es directamente proporcional al flujo

másico de aire en el secador.

20


1.3 Objetivo General.

Rediseñar un secador de moldes de yeso considerando el diseño del primer

prototipo que se tiene en funcionamiento en CENIDET, mediante la reducción de costos

de fabricación y optimización considerando el proceso de fabricación de cerámica que de

manera general se aplica en el Estado de Morelos.

1.4 Estructura de la tesis.

En el Capítulo 2 se presenta el modelo físico de este estudio, el principio de

funcionamiento, los principales componentes del sistema de secado y la metodología de

evaluación del secador para determinar sus parámetros característicos. En el Capítulo 3,

se presenta la metodología de diseño del Prototipo 2. En el Capítulo 4, se presenta la

implementación de las nuevas alternativas funcionales, que incluye detalles de

construcción e instrumentación del Prototipo 2. En el Capítulo 5, se presenta un análisis

costo beneficio de las nuevas alternativas funcionales y un análisis comparativo de los

prototipos 1 y 2. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y

recomendaciones para futuros trabajos.

21

MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2

Capítulo 2

Modelo físico y modelo de evaluación térmica del

secador

En este capítulo se muestran los principios de funcionamiento del sistema de

secado, se describen los períodos de secado y la diferencia entre secado convencional y

secado solar. Por otra parte, se presenta el modelo físico del sistema de secado completo

y se presenta el modelo de evaluación del secador para obtener los parámetros críticos del

sistema de secado: constante de secado, la eficiencia del sistema de captación solar, la

eficiencia del sistema de calentamiento de agua, la eficiencia del sistema de

calentamiento de aire y la eficiencia del sistema completo de secado.

22


2.1 Marco teórico.

El exceso de humedad contenida en los materiales puede eliminarse por métodos

mecánicos como son la sedimentación, filtración, centrifugación; o por métodos no

térmicos como son la extracción con solventes, absorción de humedad de algunos gases

por el paso de estos a través de una columna de H2SO4, eliminación de humedad de un

sólido poniéndolo en un recipiente hermético utilizando un agente desecante como sílica

gel o CaCl2, exprimiendo un sólido muy poroso y blando. Sin embargo, la eliminación

más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores

formados, es decir, mediante el secado térmico, donde lo más común es una corriente

gaseosa (Knoule, 1968).

La operación de secado convectivo es una operación de transferencia de masa

debido al contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por

evaporación hacia la fase gaseosa, debido a la diferencia entre la presión de vapor

ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa.

Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y

el proceso de secado cesa.

2.1.1 Física del secado.

Cuando un sólido húmedo se somete a un secado térmico, ocurren dos procesos

simultáneamente (Mujumdar, 2006):

1. Transferencia de la energía del ambiente circundante para evaporar la superficie

húmeda. En este proceso la remoción de agua como vapor de la superficie material,

depende de las condiciones externas de temperatura, humedad del aire y del flujo,

área de la superficie expuesta, y presión.

2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del sólido y su evaporación

subsecuente debido a proceso 1. En este proceso el movimiento de la humedad

interna dentro del sólido, está una función de la naturaleza física del sólido, de la

temperatura, y de su contenido de agua.

23


En una operación de secado, cualquiera de estos procesos puede ser un factor

limitante de la velocidad de secado, aunque ambos se presentan de manera simultánea a

través del ciclo de secado. El mecanismo del proceso de secado depende

considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más

fuerte es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el secado, el enlace

de la humedad con el material se altera. Las formas de enlace de la humedad con el

material se clasifican en: químico, físico-químico y físico-mecánico (Kasatkin, 1985). La

humedad ligada químicamente es la que se une con mayor solidez al material en

determinadas proporciones (estequiométricas) y puede eliminarse sólo calentando el

material hasta altas temperaturas o como resultado de una reacción química. Esta

humedad no puede ser eliminada del material por secado. Durante el secado se elimina,

sólo la humedad enlazada con el material en forma físico-química y mecánica. El enlace

físico-químico une dos tipos de humedad que difieren por la solidez del enlace con el

material: la humedad ligada osmóticamente y por adsorción. Sin embargo, la existencia

de estos tipos de humedad especialmente se manifiesta en materiales coloidales y

poliméricos (Kasatkin, 1985).

La humedad más fácil de eliminar resulta la enlazada mecánicamente que a su vez

se subdivide en: humedad de los macrocapilares y microcapilares (capilares con un radio

en la vecindad de 10-5cm). Los macrocapilares se llenan de humedad durante el contacto

directo de ésta con el material, mientras que en los microcapilares la humedad penetra

tanto por contacto directo, como mediante la adsorción de la misma en el medio

ambiente. La humedad de los macrocapilares se elimina con facilidad no sólo por secado,

sino que también empleando métodos mecánicos. El transporte de la humedad dentro del

sólido puede ocurrir por alguno o algunos de los mecanismos siguientes de transferencia

de masa (Mujumdar, 2006):

• Difusión líquida, si el sólido mojado está a una temperatura por debajo del punto de

ebullición del líquido.

• Difusión de vapor, si el líquido se vaporiza dentro material. Este es el principal

mecanismo de transferencia de humedad por vapor en el material. Toma lugar cuando

la dimensión característica de los espacios del aire libre son mayores a 10-7m.

24


• Difusión de Knudsen, si el secado ocurre a muy bajas temperaturas y presiones, e.g.,

secado en helada.

• Difusión superficial (posible aunque no está probado). Es un proceso de transporte

atómico superficial que permite que los átomos alcancen posiciones de equilibrio en

la superficie, y tiene gran importancia en procesos como: crecimiento cristalino,

adsorción, evaporación, etc.

• Diferencias hidrostáticas de la presión, cuando la velocidad de vaporización interna

excede la velocidad de transporte de vapor a través del sólido a los alrededores.

• Combinaciones de los mecanismos antedichos.

Es importante considerar que el secado de un sólido está sujeto a cambios durante

su proceso ya que los mecanismos de transporte de humedad podrían cambian con el

tiempo de secado. Por otra parte, se dice que un proceso de secado es óptimo cuando el

tiempo en el que se lleva a cabo es el mínimo, utilizando un mínimo de energía.

2.1.2 Períodos de secado.

La velocidad del secado de una muestra se puede determinar utilizando las

siguientes metodologías:

1. Por medio de una curva de contenido de humedad y tiempo de secado (cinética de

secado).

2. Haciendo una curva de velocidad, considerando la diferencia del contenido de

humedad de dos mediciones dividido entre el período de tiempo entre éstas mismas,

contra contenido de humedad.

La cinética de secado se puede dividir en cinco etapas: i) período de inducción

inicial, ii) período de velocidad constante, iii) período de decaimiento de velocidad, iv)

contenido de humedad crítica y v) contenido de humedad de equilibrio (EMC). En la

mayoría de los casos se cumplen los cinco períodos.

25


En la Figura 2.1 se esquematizan los cinco períodos, en una gráfica de contenido

de humedad contra tiempo de un sólido. A continuación se describen cada uno de estos

períodos.

Figura 2.1. Perfil de secado de un sólido.

i) Período de inducción inicial: En este período se inicia el proceso de secado de manera

que el producto se calienta y aumenta la temperatura de la interfase, produciendo una

adaptación del material a las condiciones de secado. A medida que la temperatura

aumente la humedad empieza a evaporarse.

ii) Período de velocidad constante: En el punto B de la Figura 2.1 la temperatura se

estabilizará y permanecerá constante siempre y cuando exista una capa de humedad

remanente en la superficie del sólido. Entre los puntos B y C la humedad de evaporación

de la superficie se reemplaza por el agua de difusión del interior del sólido a una

velocidad igual a la de evaporación.

iii) Período de decaimiento de velocidad: En el punto C de la Figura 2.1, el agua de la

superficie no se reemplazará más para mantener la capa. Pequeñas manchas empiezan a

presentarse y la velocidad del secado comienza a decaer hasta llegar a la humedad crítica.

26


El contenido y número de manchas del secado crece y cae la velocidad de secado. El

período de tiempo CD se conoce como primer período de caída de velocidad o período de

secado de superficie insaturado.

iv) Contenido de humedad crítica: En el punto D de la Figura 2.1 conocido como punto

crítico, es el punto donde finaliza el período de velocidad constante. Aquí, el agua de la

superficie del sólido esta totalmente evaporada y la velocidad de secado depende de la

difusión de humedad a la superficie del sólido. Por lo anterior, este punto depende de la

porosidad y del tamaño de partícula del sólido que se esta secando. Entre los puntos D y

E la velocidad de secado cae rápidamente y el período se denomina segundo período de

disminución de velocidad. En el punto E la velocidad del secado es prácticamente cero y

comienza el período de humedad de equilibrio.

v) Contenido de humedad de equilibrio (EMC): En los puntos E y F el sólido se

encuentra con un EMC. El EMC ocurre cuando la presión de vapor de la humedad del

sólido se iguala a la presión de vapor de la atmósfera que lo rodea.

2.1.3 Secadores convencionales y secadores solares.

La clasificación más general de los secadores esta dada por el tipo de proceso

utilizado (lote ó continuo) y por el método con el que se lleva acabo la transferencia de

calor (convección, conducción y radiación). En el caso del método de transferencia de

calor por conducción se divide en secado al vacío o secado a presión atmosférica. A su

vez, se subdividen de acuerdo al tipo de contenedor del secador: bandejas, rotatorio,

túnel, aspersión, etc. En la Figura 2.2 se muestra un resumen de la clasificación general

de los secadores (Mujumdar, 2006).

En los secadores convencionales, la energía para lograr la evaporación de la

humedad del material se suministra generalmente por un combustible o con electricidad.

Se requiere aproximadamente 1 kw h⋅ para eliminar 1kg de agua. Cuando se habla de

secado solar se refiere al uso de la radiación solar como fuente de energía para el proceso

de secado. A diferencia de los secadores convencionales que pueden operar de manera

continúa, los secadores solares debido a su fuente de energía intermitente dependen de las

27


condiciones de radiación solar para su operación, esto ocasiona que el tiempo de secado

aumente y que la calidad del producto se vea comprometida. Sin embargo, con un

sistema óptimo de captación-acumulación de energía solar los secadores solares pueden

operar de manera continua y en cuestiones de ahorro de energía a largo plazo

generalmente son más rentables.

Los dos elementos básicos de un secador solar son: el colector, donde la radiación

calienta el aire y la cámara de secado, donde el producto es deshidratado por el aire que

pasa. Estos elementos pueden diseñarse de diferentes formas para integrar diferentes

equipos de secado solar, y de acuerdo a su forma de calentamiento puede ser de tres

formas: directo, indirecto y mixto. En el caso del secado solar directo, la radiación solar

incide directamente por la cubierta de la cámara al producto que se seca. En el caso de

secado solar indirecto, el colector y la cámara de secado están separados, la radiación no

incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. Finalmente, el secado solar

mixto es aquel en el que la colección de radiación se realiza tanto en un colector solar

como en la cámara de secado.

Figura 2.2 Clasificación de secadores.

28


2.2 Modelo físico.

El secador solar propuesto es un sistema mixto, donde la energía es captada en

colectores solares y en la misma cámara de secado, la energía captada en los colectores es

almacenada para que en un momento determinado se transfiera al secador. La energía

solar utilizada de manera indirecta permite disponer de energía en los momentos cuando

no se presenta radiación solar. El secador solar se divide para su estudio en tres secciones

principales: sistema de calentamiento de agua, sistema de calentamiento de aire y cámara

de secado, los cuales se muestran en la Figura 2.3. El sistema de calentamiento de agua

tiene la función de recibir energía transformarla en calor y suministrar energía térmica

con la mayor continuidad y homogeneidad posible, además permite almacenar energía

térmica para ser utilizada cuando no hay energía solar disponible. El sistema de

calentamiento de aire permite que el fluido de trabajo del sistema de suministro de

energía reduzca la humedad relativa del aire mediante calentamiento. Finalmente, la

cámara de secado tiene la función de captar radiación solar de forma directa y de extraer

la humedad de los moldes utilizando el aire caliente que provee el sistema de

calentamiento de aire.

El sistema solar de calentamiento de agua (colectores-termotanque) funciona

captando una energía, G, en los colectores solares en un área de captación, Ac, y

entregando Q1 al sistema de calentamiento de aire. El sistema de calentamiento de aire

permite extraer calor del sistema de calentamiento de agua para calentar el aire que se

inyecta a la cámara de secado, Q2. La cámara de secado permite captar energía solar

directa, QG, y extraer el contenido de agua de los moldes evaporando QEV con la energía,

Q2, cedida por el intercambiador de calor. El desempeño térmico del sistema de

calentamiento de agua puede definirse como la razón de la energía Q1 entre G, el

desempeño del sistema de calentamiento de aire puede definirse de acuerdo a la razón Q2

entre Q1 y el desempeño térmico del secador puede estar dado por la QEV entre la suma de

Q2 y Qamb. En el sistema de calentamiento de agua, parte de la energía captada se pierde

hacia los alrededores como QP1, en el sistema de calentamiento de aire también existen

pérdidas, QP2. Sin embargo, en el secador existen pérdidas de calor hacia el ambiente, Q3,

y ganancias de calor por los alrededores Qamb y QG, respectivamente. El conjunto de QP1,

29


QP2, Qamb, QG y Q3 reducen o aumentan la eficiencia del sistema de secado, normalmente

las pérdidas de calor QP1, QP2 y Q3 reducen la eficiencia, mientras que Qamb y QG durante

el día solar incrementan la eficiencia y durante la noche la reducen.

Figura 2.3 Modelo físico del sistema de secado.

2.3. Modelo de evaluación térmica del secador.

Para evaluar la cinética de secado se propone evaluar la historia del contenido de

humedad del producto, la constante de secado, k, el desempeño del sistema de secado, n,

la eficiencia de los colectores, ncoll, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua,

nSC, y la eficiencia del intercambiador de calor, nint. Para la evaluación de los parámetros

mencionados se propone el siguiente diagrama experimental, donde se muestran las

variables a medir para calcular las figuras de mérito mencionadas, ver Figura 2.4.

30


Figura 2.4 Modelo experimental del sistema de secado.

2.3.1 Cinética y constante de secado.

La k se obtiene a partir de conocer la cinética de secado, que a su vez se conoce con

la razón de cambio en el contenido de humedad del producto a lo largo del tiempo, dM/dt.

Para evaluar la cinética de secado se considera la ecuación de capa delgada en una

dimensión, la cual considera que la capa del material es suficientemente delgada o la

velocidad del aire es alta de modo que las condiciones del aire en el proceso de secado

(humedad y temperatura) se mantienen constantes en todas partes del material

(Mujumdar, 2006). Con lo anterior, la cinética de secado puede ser expresada con la

siguiente ecuación:

( ) t edM dt k M M= − − (2.1)

donde Mt es el contenido de humedad del producto en cualquier tiempo y Me es el

contenido de humedad del producto cuando alcanza el equilibrio con el aire. Mt esta

definida con la siguiente ecuación:

( ) d/t t dM m m m= − (2.2)

donde, mt es la humedad del producto a cualquier tiempo por unidad de masa y md es la

humedad del producto cuando se considera seco. Para determinar mt se pesan los moldes

31


de yeso durante el tiempo que toma el proceso de secado. Con los datos de peso

registrados se calcula Mt, utilizando la ecuación (2.2).

La constante de secado, k, incorpora las propiedades de transporte en función

exponencial, esta dada en función de la solución de la ecuación (2.1) y se escribe de la

siguiente manera:

( )

t

tMk lnM t

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.3)

2.3.2 Eficiencia del sistema de secado.

Para evaluar la eficiencia del sistema de secado se considera la cantidad de agua

removida de los moldes de yeso en el tiempo, ; la temperatura de la cámara en el

interior en función del tiempo, T

remm

c(t), para obtener el calor latente de vaporización del

agua, hlg,; el área de colección y finalmente la radiación incidente en el sistema de

colectores. La eficiencia del sistema de secado se evalúa con la siguiente ecuación:

2t

lg1

2

1

( )rem ct

t

ct

m h T dt

A Gdtη =

∫

∫ (2.4)

2.3.3 Eficiencia del sistema de captación solar.

En general, para el cálculo de la eficiencia del sistema de captación solar se

considera el flujo másico que circula a través de los colectores, ; la capacidad calorífica

del agua, Cp; las temperaturas de entrada y salida del banco de colectores, T

m

c1 y Tc2; el

área de colección y la radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se

evalúa con la siguiente ecuación:

32


( )

2t

0.70681 0.5981y x= − +

2 11

2

1

c C Ct

coll t

ct

m Cp T T dt

A Gdtη

−=∫

∫ (2.5)

La eficiencia térmica de cada colector esta dada por la ecuación

(Flores, 2006), lo cual se determinó cumpliendo los

requerimientos y procedimientos de las normas ANSI/ASHRAE 93/1986 y del proyecto

de norma PROY-NMX-001-NORMEX-2005.

2.3.4 Eficiencia del sistema de calentamiento de agua.

Para evaluar la eficiencia del sistema de calentamiento de agua se considera la masa

de agua contenida en el termotanque, mT; la capacidad calorífica del agua; la temperatura

promedio en el interior del termotanque en el tiempo, TT(t); el área de colección y la

radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se evalúa con la siguiente

ecuación:

( ) ( )( )

2t

2 11

2

1

TT Tt

SC t

ct

m Cp T t T t dt

A Gdtη

−=∫

∫ (2.6)

2.3.5 Eficiencia del sistema de calentamiento de aire.

Para evaluar la eficiencia del sistema de calentamiento de aire se considera el flujo

másico de aire en el intercambiador, m ; la capacidad calorífica del agua; la temperatura

del aire a la entrada y salida del intercambiador, T

int

amb y T1 respectivamente; el área de

colección y la radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se evalúa con

la siguiente ecuación:

( )

2t

11

2

1

int ambt

int t

ct

m Cp T T dt

A Gdtη

−=∫

∫ (2.7)

33


Con las ecuaciones mencionadas anteriormente se calculan las eficiencias en el

acoplamiento de las secciones del sistema, con el fin de facilitar la detección de

oportunidades para el mejoramiento del desempeño del sistema de secado completo.

34

DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3

Capítulo 3

Diseño del secador

En este capítulo se presenta la metodología del diseño del secador, la cual se realizó

considerando a) la observación del diseño del primer prototipo, b) los resultados de la

evaluación del desempeño del primer prototipo, c) la propuesta y evaluación de nuevas

alternativas funcionales y d) la reestructuración de la metodología de diseño que

consideran las nuevas alternativas funcionales. El mejoramiento del diseño se verificó

evaluando el secador con las alternativas funcionales propuestas y comparando estas con

el desempeño anterior, utilizando la metodología de evaluación térmica mostrada en la

Sección 2.3.

35


3.1 Metodología de diseño del secador.

La metodología utilizada para el nuevo diseño del secador consta de seis pasos, los

cuales se muestran en la Figura 3.1. El Paso 1 de la metodología de diseño es la revisión

de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1 y la

evaluación del desempeño de este mismo secador. En el Paso 2, se consideran los

resultados obtenidos del punto anterior y se proponen nuevas alternativas funcionales. En

el paso 3, se analizan las alternativas funcionales con la metodología de diseño

estructurada mostrada en la Sección 3.3. Las alternativas funcionales que resultan

factibles en paso anterior, se implementan y evalúan en el Paso 4 como se indica en la

Sección 3.2. En el caso de que la, o las alternativas funcionales no sean factibles se

regresa al Paso 2 y se formulan nuevas alternativas funcionales. En el Paso 5, se realiza

un análisis costo-beneficio con los resultados obtenidos de las pruebas experimentales

una vez que las alternativas funcionales se han implementado y evaluado. Sí el análisis

del paso 5 es satisfactorio las alternativas funcionales se consideran en el diseño del

Prototipo 2, en el caso contrario, en el Paso 6 se analiza su posible optimización. Sí es

posible optimizarlas se hacen las modificaciones necesarias en el Paso 4 y se repite el

Paso 5. Sí no es posible optimizar las alternativas funcionales se regresa al Paso 2 y se

repiten los pasos del 3 al 5 hasta que todas las alternativas funcionales propuestas sean

evaluadas.

Los pasos del 1 al 3 se describen en este capítulo, los pasos corresponden a la

revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1, a

la evaluación del desempeño de este mismo secador y a la propuesta de nuevas

alternativas funcionales. El Paso 4 que corresponde a la implementación y evaluación de

las alternativas funcionales se describe en el Capítulo 4. Finalmente, los pasos 5 y 6 que

corresponden al análisis costo-beneficio y a la optimización de las alternativas

funcionales se describen en el Capítulo 5 de esta tesis.

36


1

Si

i=1,N

Si

No

Si

No

No

i=1,N

i=1,N

Revisión de los requerimientos, restricciones

y alternativas funcionales

Evaluacióndel Pr

Propuesta de nuevas alternativas

funcionales

Implementación y evaluación

Análisis con la metodología de

diseño estructurada

Análisis costo -beneficio de

pruebas experimentales

Posible optimizar

Inicio

Prototipo 2

Figura 3.1 Diagrama de flujo de la metodología utilizada parsecador.

Paso 1

del desempeño ototipo 1

2

a

Paso

Paso 3
Paso 4 Paso 5
Paso 6

el diseño del nuevo

37


3.2 Revisión y evaluación del Prototipo 1.

La revisión del Prototipo 1 se realizó considerando el reporte del proyecto FOMIX

2004-C02-04 donde se indican los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales

descritas en el diseño del Prototipo 1. La evaluación se realizó implementando pruebas de

homogeneidad de secado, evaluación de la cinética de secado y evaluación de la

eficiencia térmica del sistema completo. La eficiencia térmica del sistema de secado se

evalúa por secciones con el fin de detectar oportunidades de mejora en cada una de ellas.

3.2.1 Revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1.

Como ya se mencionó, para el proceso de diseño se tomaron como base los

requerimientos, restricciones y alternativas funcionales reportados en el informe del

Proyecto FOMIX 2004-C02-04 (Flores, 2006). El diseño del Prototipo 1 se basó en una

metodología estructurada que consiste en declarar necesidades, funciones y restricciones

principales, condiciones de diseño y parámetros críticos; con lo anterior se propusieron

alternativas funcionales y se analizaron cada una, considerando cada uno de los puntos

anteriores. En la Tabla 3.1 se muestra el cuadro de la metodología de diseño.

Tabla 3.1. Criterios de diseño. Cuadro de metodología de diseño

Declaración de necesidad Remover agua de los moldes de yeso. Función principal y restricciones principales

Remover agua de moldes de yeso utilizando un flujo de aire con baja humedad considerando que el molde no debe pasar los 50°C.

Condiciones de diseño:

• Secado de moldes utilizando energía solar y/o calor de deshecho. • Que tenga capacidad de secar la cantidad de moldes que normalmente se

utiliza en una mesa de vaciado de 6 metros de largo por 0.90m de ancho. • Que el secador pueda moverse de una mesa de vaciado a otra. • Reducir el tiempo de secado a no más de una semana. • Reducir los manejos de los moldes en el proceso de fabricación de

cerámica, reduciendo la carga y descarga de moldes de mesas de trabajo. • Que sea factible de ser reproducido por personal no altamente capacitado.• Fácil operación. • Que pueda operar de manera continúa.

Parámetros críticos: • Distribución uniforme de temperatura y humedad de aire. • Temperatura del aire no mayor a 50ºC. • Optimización en el consumo de la energía.

Alternativas funcionales.

• Uso de extractores de aire para suministro y extracción. • Uso de difusores internos y válvulas para distribución homogénea del

aire (ducto distribuidor). • Uso de un sistema de monitoreo y control de temperatura y humedad

38


Continuación ….Tabla 3.1. Criterios de diseño.

Alternativas funcionales

bajo costo. • Calentamiento del aire con agua caliente proveniente de un depósito

aislado. • Calentamiento del agua captando energía solar y calor de deshecho de los

hornos. • Implementación de una cámara de ambiente controlado: temperatura, humedad y cambios de aire con dimensiones semejantes a la mesa de vaciado; que sea transportable en recorridos cortos.

Con lo anterior se propuso un secador solar indirecto, en el que la energía solar es

captada y almacenada en forma de calor en un tanque aislado en un fluido de trabajo

(agua). El agua caliente se hace circular por un intercambiador de calor en donde cede la

energía a un flujo de aire, el cual corriente abajo se suministra a la cámara de secado. En

la Figura 3.2 se muestra un diagrama esquemático del sistema.

Figura 3.2 Diagrama esquemático del sistema de secado solar.

El Prototipo 1 utiliza energía eléctrica para el funcionamiento de bombas y

extractores. La cámara de secado se diseñó y construyó con posibilidad de que pueda ser

utilizada como mesa de vaciado y de secado a la vez, con este diseño se contempló secar

y vaciar reduciendo tiempos y movimientos en el proceso de fabricación de la cerámica.

En el reporte FOMIX 2004-C02-040 2006, se indica que los moldes húmedos, en

promedio se les debe remover el 30% del peso total del molde húmedo para que quede

completamente seco. También, se determinó que los moldes pueden secarse mediante un

secado continuo en condiciones controladas a 50°C hasta en 1.5 días.

El dimensionamiento térmico del Prototipo 1 se realizó mediante simulación

numérica con un programa de cómputo (Olarte, 2005). El sistema de almacenamiento

39


tiene una capacidad nominal de 294MJ, estimando una temperatura del agua de 60ºC, con

una capacidad de captación solar de 163MJ por día y una capacidad para calentar aire a

razón de 100MJ-día. El sistema de captación solar se caracterizó de manera separada, por

un lado se obtuvó el coeficiente global de pérdidas de calor del tanque de

almacenamiento (4W/m2K) y por otro lado se obtuvo la curva de eficiencia térmica de los

colectores de manera experimental. El sistema de secado se evaluó secando 40 moldes de

yeso, en los resultados se reporta que el tiempo de secado fue de 7.5 días, con un valor de

la constante de secado de 0.0048. En la Figura 3.3 se muestra el dibujo tridimensional

donde se ubican los elementos que componen el secador con suministro de energía solar,

cabe mencionar que de este dibujo se obtuvieron los dibujos de taller.

Figura 3.3 Sistema de secado con suministro de energía solar.

3.2.2 Evaluación y análisis del desempeño del Prototipo 1.

Para la evaluación de la cámara de secado, se utilizó la metodología mostrada en la

Sección 2.3 de este trabajo, para ello se realizó una prueba de secado sin modificaciones

del Prototipo 1. Para esta prueba se utilizaron 40 moldes de yeso de tamaño mediano

(21x17.5x19cm3), con un peso en seco de 9.44 kg cada uno en promedio y con un peso en

húmedo de 13.15 kg en promedio. La prueba de secado se realizó de acuerdo al

procedimiento indicado en el Apéndice A.

En la Figura 3.4 se muestra la gráfica de disminución del contenido de humedad

promedio de los moldes con respecto al tiempo. Como se muestra en la gráfica durante

40


las primeras 100 horas se presenta un período de velocidad de secado constante. Mientras

que en el intervalo de 124-220 horas se presentan un período de decaimiento de la

velocidad, en este período la velocidad de secado disminuye debido a que la humedad del

producto cada vez es menor y es más difícil remover el agua de la superficie de los

moldes. Por otra parte, en la grafica se muestra que cuando el proceso de secado se

encuentra en la hora 220 se llega a la humedad crítica, en donde la velocidad de remoción

de humedad disminuye drásticamente tendiendo a estabilizarse hasta llegar al contenido

de humedad de equilibrio en las últimas horas del proceso de secado, en esta ultima etapa

la presión de vapor de la humedad del sólido se iguala a la presión de vapor de la

atmósfera que lo rodea y el proceso de secado termina.

.

Figura 3.4 Historia de contenido de humedad promedio de los moldes de yeso.

En la Tabla 3.2 se muestra el resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para

la Prueba 1. En la columna uno se muestra el número de la prueba realizada, en la

columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente seco, en la

columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de humedad

requerido por los ceramistas, en la columna cuatro se muestra la constante de secado, en

la columna cinco se muestra la eficiencia del sistema de secado y en la columna seis se

muestra la eficiencia del sistema de calentamiento de agua.

41


Tabla 3.2 Resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para la Prueba 1.

Pruebas Tiempo de secado total

(días)

Tiempo de secado ceramistas

(días)

k (h-1)

η 0.02±

SCη 0.07±

1 12 6.0 0.036 0.19 0.19

Como se muestra en la Tabla 3.2 el tiempo de secado para el contenido de humedad

requerido por los ceramistas se logro alcanzar en tan solo 6 días, con una constante de

secado de 0.036. Cabe mencionar que la constante de secado es inversamente

proporcional al tiempo de secado. Finalmente, la eficiencia general del sistema de secado

del Prototipo1 fue de 0.19.

3.3 Propuesta de nuevas alternativas funcionales.

De acuerdo a la revisión bibliográfica sobre secado, a las visitas realizadas a tres

plantas de fabricación de cerámica en el Estado de Morelos, a la evaluación y revisión de

de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1, se

propusieron nuevas alternativas funcionales para el diseño del Prototipo 2.

3.3.1 Tiempos y movimientos.

En la alternativa funcional del Prototipo 1 se indica que el secador se contempla con

posibilidad de que pueda moverse de una mesa de trabajo a otra y que su costo sea

reducido para que pueda ser implementado en las plantas de fabricación de cerámica del

Estado de Morelos, que en general son empresas pequeñas. Lo anterior, con el fin de

reducir los tiempos y movimientos en el proceso de fabricación de cerámica y

adicionalmente reducir el costo del secador. Para lograr esto, se analizó el Prototipo 1 con

el fin de detectar oportunidades de mejora. En el análisis se encontró que una de las

limitantes del Prototipo 1 es el peso de la cámara de secado, que impide tener una buena

movilidad entre mesas de trabajo, además su operación involucra a un mínimo de dos

operadores para poder desplazarla. El sobre peso del secador también se ve reflejado en

su costo y en el tiempo de fabricación, ya que la cubierta del Prototipo 1 corresponde

aproximadamente al 60 % del peso total del secador. Para reducir los tiempos y

movimientos en el proceso, se propone como nueva alternativa utilizar materiales para la

42


estructura y cubierta del secador de reducido peso, lo anterior, con el objeto de que se

reduzcan los costos del material y los costos de operación al reducir el número de

operadores. Por otra parte, se contempla la posibilidad de que la cámara de secado y la

mesa de llenado y vaciado formen una sola pieza y que la cámara pueda abrirse en un

ángulo de 70° con el fin de optimizar la operación del secador reduciendo así tiempos y

movimientos, además de disminuir el consumo y costo de materiales.

3.3.2 Homogenización en el secado.

En uno de los parámetros críticos del Prototipo 1 se estableció que el secador debe

secar uniformemente a lo largo de toda prueba. En la evaluación del Prototipo 1 se

colocaron cuatro moldes de yeso en diferentes posiciones de la cámara para monitorear la

uniformidad de secado, tal como se indica en la Figura 3.5.

Figura 3.5 Localización de los moldes dentro de la cámara de secado.

Por otra parte, el perfil de secado de cada molde respecto al tiempo se muestra en la

Figura 3.6. En la figura es evidente que la disminución del peso en el tiempo de los

cuatro moldes no es uniforme, varía dependiendo de su posición en la cámara. Este

mismo fenómeno se repite en dos pruebas. El secado de los moldes tiene el siguiente

comportamiento: secado longitudinal no uniforme, secado más rápido al oeste del secador

y secado más rápido al norte.

Con los resultados obtenidos, se detectan oportunidades de diseño en la distribución

de aire para lograr un secado homogéneo en el Prototipo 2. El ducto de suministro de aire

del Prototipo 1 es un tubo rígido con ranuras para la distribución de aire, sin embargo, de

acuerdo a los resultados esta distribución de aire no es la ideal. Por lo cual, para el

Prototipo 2 se mantiene la ubicación del ducto por el centro en la parte baja de la mesa de

vaciado, esta posición con el fin de evitar la obstrucción en la etapa de vaciado y llenado

43


del proceso de fabricación de cerámica. Sin embargo, se propone utilizar un material

flexible para que el ducto pueda reducir su volumen cuando no este en servicio. Con

respecto a las salidas para la distribución de aire, se propone utilizar orificios circulares

cuyo número será semejante al número de moldes de yeso de tamaño mediano que caben

en el secador, además se contempla que las salidas se dirijan hacia cada molde con

posibilidad de tener una mejor distribución de aire al interior de la cámara del Prototipo2.

Figura 3.6 Historia de la disminución de peso de cuatro moldes en la prueba 1.

3.3.3 Aprovechamiento de la energía solar.

Uno de las alternativas funcionales que se consideraron en el diseño del secador es la

manera en la que se suministra la energía necesaria para el proceso de secado. Para tener

un proceso de secado continuo se requiere un suministro de energía continua, esta energía

puede ser suministrada de maneras directa, indirecta o ambas. En el Prototipo 1 el

suministro de energía solar se realiza de manera indirecta, mediante un sistema de

calentamiento de agua (SCA), que se compone por un banco de colectores y un tanque de

almacenamiento. En el Prototipo 1 los 100MJ-día, a razón constante de 1157 W se

suministran mediante energía solar indirecta Qid. En el Prototipo 2 para optimizar el

suministro de energía se propone aprovechar la energía solar directa adicional al

44


suministro de energía solar indirecta. Esto implica que durante las horas solares el

secador funcione principalmente con energía solar directa, Qd y en las horas de

sombreado o nocturnas el secador funcione con energía solar indirecta, Qid.

En la Figura 3.7 se muestra el suministro de energía propuesto para el proceso de

secado en el Prototipo 2. En este esquema de suministro de energía, para satisfacer los

100MJ-día requeridos se utiliza un suministro de energía indirecto, Qid1+Qid2 y un

suministro de energía directo, Qd1. El resto de la energía directa suministrada por la

cubierta de la cámara, Qd2, se drena al ambiente con el fin de evitar sobrecalentamiento

en la cámara. Por otra parte, considerando los 100MJ-día requeridos se realizó un balance

global de energía para conocer la cantidad de energía suministrada de manera directa. Los

resultados preeliminares muestran que Qd equivale al 41% del total de la energía

requerida, por lo que sólo se requieren 59MJ-día del sistema de calentamiento de agua,

equivalentes al 59% de la energía total requerida. Con este esquema de suministro de

energía se puede satisfacer la cantidad de calor requerido para el proceso de secado,

teniendo un secado continuo con posibilidades de reducir el tamaño del sistema de

calentamiento de agua.

Figura 3.7 Esquema del suministro de energía propuesto para el proceso de secado del

Prototipo 2.

45


3.3.4 Mejoramiento del sistema de captación solar.

Con los resultados de la constante de secado y del desempeño del prototipo 1 de la

Sección 3.2.2, se propusieron modificaciones al sistema para evaluar las eficiencias del

sistema de calentamiento de aire y del sistema de captación solar. Para esto, se instaló un

medidor de flujo en el banco de colectores y se instalaron cuatro sensores de temperatura

(entrada y salida del banco de colectores, entrada y salida del intercambiador). Además,

se colocó una cubierta en la parte inferior del secador para evitar pérdidas de calor al

ambiente y se adecuaron los extractores de aire. Con las modificaciones anteriores se

realizaron dos pruebas de secado con el procedimiento descrito en el Apéndice A, a las

cuales se le denominan prueba 2 y 3. La Prueba 2 se realizó sin activar los extractores y

la Prueba 3 activados.

En la Figura 3.8 se muestra la historia de la disminución del contenido de humedad

de los moldes en el tiempo para las pruebas 2 y 3. La gráfica muestra que el decaimiento

del contenido de humedad de los moldes en ambas pruebas es similar, esta similitud

puede verse con mayor claridad en el valor de k, que para la Prueba 2 fue de 0.049 y para

la Prueba 3 fue de 0.051

Figura 3.8 Historia del contenido de humedad de los moldes de yeso, prueba 2 y 3.

46


En la Tabla 3.3 se muestran los resultados obtenidos de la evaluación del Prototipo 1

para las pruebas 2 y 3. En la columna uno se muestra el número de prueba realizada, en la

columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente seco, en la

columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de humedad

requerido por los ceramistas, en la columna cuatro se muestra la constante de secado, en

la columna cinco se muestra la eficiencia del sistema de captación solar, en la columna

seis se muestra la eficiencia del sistema de calentamiento de agua, en la columna siete se

muestra la eficiencia del sistema del calentamiento de aire y en la columna ocho se

muestra la eficiencia del sistema de secado completo.

Tabla 3.3 Resultados obtenidos en la evaluación del Prototipo 1 para las pruebas 2 y 3.

Pruebas

Tiempo de secado total

(días)

Tiempo de secado

ceramistas (días)

k (h-1)

collη 0.05±

SCη 0.07±

intη 0.01±

η 0.02±

2 9 5.5 0.049 0.39 0.32 0.20 0.31 3 9 5.0 0.051 0.36 0.31 0.23 0.32

En la Tabla 3.3 se muestran las eficiencias correspondientes de ambas pruebas

presentaron variaciones poco considerables, la eficiencia del sistema de captación solar

fue de 0.38 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua (colectores-

termotanque) fue de 0.32 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de aire

fue de 0.22 en promedio y la eficiencia del sistema completo de secado fue de 0.32 en

promedio.

Es de comentar que la eficiencia del sistema de captación solar es 0.06 puntos mayor

que la eficiencia del sistema de calentamiento de agua; de igual manera, la eficiencia del

sistema de calentamiento de agua es 0.1 puntos mayor que la eficiencia del sistema de

calentamiento de aire. Sin embargo, la eficiencia del sistema completo se incrementó en

0.1 respecto a la eficiencia del sistema de calentamiento de aire. Esto puede deberse a que

el aire que se calentó para remover la humedad de los moldes provenía también de

manera directa del ambiente, que en cierta medida ya tenía capacidad para secar los

moldes.

47


En el sistema evaluado puede notarse que la sección que afecta la eficiencia del

sistema completo es el desempeño de los colectores solares que tan solo tuvieron un 0.38

de eficiencia promedio. Con lo anterior, con el fin de lograr un mejor desempeño del

sistema de secado se propone, en una primera etapa, desarrollar estrategias para obtener

un mejor funcionamiento térmico de los colectores solares, que en general su eficiencia

puede estar por arriba de 0.50 (Macedo, et al., 1978).

Por otra parte en la Figura 3.9 y 3.10 se muestran las gráficas de la energía ganada en

cada sección del sistema de secado, se presentan los resultados que se obtuvieron en la

Prueba 2, del 02 al 11 de Octubre de 2007 y en la Prueba 3, del 15 al 24 Octubre 2007.

En la gráfica se muestra la energía captada por los colectores, la energía almacenada en el

termotanque, la energía transferida del agua al aire por el intercambiador y finalmente la

energía que se utilizó para remover el agua de los moldes. En la gráfica se muestra que la

energía captada por los colectores varía de manera semejante a la radiación global

durante la prueba, al igual que la energía almacenada en el termotanque, sin embargo, la

energía transferida en el intercambiador no depende considerablemente de la variación de

la radiación global a lo largo de cada día. Lo anterior, se debe a que la masa térmica

contenida en el termotanque sirve como amortiguador de las variaciones del suministro

de energía solar. El suministro de energía a la cámara presenta un comportamiento más

estable a lo largo de la prueba comparada con el suministro energético en el

intercambiador, esto permite que el secado de los moldes sea continuo a lo largo de la

prueba sin importar las variaciones climáticas durante los días y las noches. Con lo que se

puede ver que con el uso de la energía solar indirecta es posible mantener un secado

continuo.

48


Figura 3.9 Energía en MJ de cada modulo del sistema de secado en la Prueba 2.

Figura 3.10 Energía en MJ de cada modulo del sistema de secado en la Prueba 3.

49


3.3.5Análisis de la estructura física del Prototipo 1.

También, con el fin de detectar oportunidades para el diseño del Prototipo 2 se

analizó la estructura física del Prototipo 1. El análisis consistió en la revisión del estado

actual del Prototipo 1 debido a las condiciones de intemperie en las cuales opera. Los

resultados del análisis muestran que:

1. Los ejes móviles de la cámara de secado presentan oxidación, por lo cual no

puede desplazarse tal y como se había contemplado en su etapa de diseño.

2. El aislante superior de la cámara de secado, fibra de vidrio, presenta degradación

debido a la entrada de agua de lluvia. El agua humedeció la fibra de vidrio

ocasionando también la oxidación de la estructura metálica.

3. Los materiales empleados en la construcción del Prototipo 1 se oxidan con

facilidad al estar en condiciones de intemperie.

Para mejorar el funcionamiento del Prototipo 2 se propone alternativas funcionales

para cada uno de los puntos anteriores los cuales serán considerados en el diseño:

1. Disminuir el número de partes móviles de la cámara de secado tanto como sea

posible. Para ello, se propone que la cámara de secado y la mesa de llenado y

vaciado formen una sola pieza. Se contempla que el secador tenga una cubierta

con un sistema de bisagras como eje, en uno de los laterales de 6 metros del

secador. La cubierta se contempla con una manija al centro de la mesa-secador,

además, de dos soportes mecánicos, cada uno ubicado en cada extremo de la

mesa-secador, para sostener la cubierta cuando este abierta.

2. Utilizar un material para la cubierta de la cámara de secado que minimice la

entrada de agua, reduciendo el número de uniones en su superficie.

3. Para la estructura de la cámara se propone utilizar materiales que no se degraden

considerablemente al exponerlos al ambiente. Algunos de los materiales

contemplados son: acero inoxidable, sellos, recubrimiento para aceros, tubería de

PVC, aluminio y madera tratada.

50


3.4 Resultados de la revisión, evaluación y propuesta de nuevas alternativas funcionales del Prototipo 1.

Con la revisión, evaluación y propuesta de las alternativas funcionales mencionadas

en las secciones anteriores se plantea un nuevo cuadro de criterios de diseño, tal como se

muestra en la Tabla 3.4. En la fila dos se muestra la función principal del secador, en la

fila tres se muestran las principales restricciones tanto del producto como del cliente para

el nuevo diseño, en la fila cuatro se muestra la declaración de la necesidad (función

principal + restricción principal), en la fila cinco se muestran los requerimientos del

cliente para el secador, en la fila seis se muestra el requerimiento principal del producto,

en la fila siete se muestran las condiciones de diseño y en la fila ocho se muestran las

alternativas funcionales consideradas para el Prototipo 2. En este cuadro se consideran

los puntos del diseño del Prototipo 1 y se agregan nuevas alternativas funcionales que

satisfacen los requerimientos y restricciones para el Prototipo 2.

Tabla 3.4. Criterios considerados en el diseño de la cámara de secado.

Criterios de diseño de la cámara de secado

Función principal Remover agua de moldes de yeso.

Restricción principal

Utilizar un flujo de aire con baja humedad considerando que el molde no debe pasar los 50ºC. Homogeneidad en el secado.

Declaración de necesidad

Secar moldes de yeso de manera homogénea a temperaturas no mayores a 50°C.

Requerimientos del cliente

Que la cámara de secado funcione también como mesa de vaciado, y que sea fácil de operar. Que su capacidad de secado sea la cantidad de moldes que normalmente se utiliza en una mesa de vaciado utilizada por industriales de la cerámica de 6 metros de largo. Que se reduzca el tiempo de secado de moldes de yeso, y disminuya el deterioro de los moldes al momento de secarse. Que el costo del sistema de secado sea económico.

Requerimientos del

producto Temperaturas de secado máxima 50°C.

Condiciones de diseño

Secado de moldes utilizando energía solar y/o calor de deshecho. Que el secador pueda moverse de una mesa de vaciado a otra. Reducir el tiempo de secado a no más de una semana. Reducir los manejos de los moldes en el proceso de fabricación de cerámica; tratando de reducir la carga y descarga de mesas de trabajo. Que sea factible de ser reproducido por personal no altamente

51


capacitado. Fácil operación. Que pueda operar de manera continua. Cámara de secado con reducido peso. Evitar la degradación acelerada de los moldes por su exposición a la intemperie.

Alternativas funcionales

Uso de extractores de aire para suministro y extracción del aire. Uso de un sistema de monitoreo y control de temperatura y humedad de bajo costo. Calentamiento del aire con agua caliente proveniente de un depósito aislado. Calentamiento del agua captando energía solar y/o calor de deshecho de los hornos. Implementación de una cámara de ambiente controlado (temperatura, humedad y cambios de aire con dimensiones semejantes a la mesa de vaciado; que sea transportable en recorridos cortos. Que la cámara de secado reciba de manera adicional energía solar directa mediante una cubierta transparente.

NOTA: Los nuevos puntos para el diseño del Prototipó2 se muestran en letras negras, y las letras grises corresponden a los puntos considerados en el Prototipo 1.

Con los resultados obtenidos en las secciones anteriores de la metodología de diseño

se detectaron oportunidades de optimización para el nuevo diseño de secador. Estas

oportunidades abarcan aspectos técnicos, económicos y funcionales:

a) Utilizar materiales apropiados que permitan disminuir el peso y costo del nuevo

secador.

b) Utilizar una cubierta de la cámara de secado transparente para que reciba de

manera adicional energía solar directa.

c) Mejorar el sistema de distribución de aire para lograr un secado homogéneo a lo

largo de la cámara.

d) Desarrollar estrategias para mejorar el desempeño térmico de los colectores

solares, que en general pueden tener una eficiencia por arriba de 0.50.

e) Utilizar materiales que no sean afectados fuertemente por la intemperie,

ocasionando que sufran oxidación que afecte la vida útil del secador.

f) Finalmente, con las nuevas alternativas funcionales mejorar los valores de la

constante de secado ( ) y el tiempo de secado de moldes de yeso (0.05≥ ≤ 5.0

días).

52


3.5 Aplicación de la metodología de diseño estructurado a las anteriores y nuevas alternativas funcionales.

Para el diseño del secador de moldes se utiliza la metodología de diseño estructurada

propuesta por Wallace y Clarkson (1999) y Seyyed (2005), que consiste en declarar

necesidades, funciones y restricciones principales, condiciones de diseño y parámetros

críticos, con esto se proponen alternativas funcionales y se analiza cada una considerando

cada uno de los puntos anteriores. De acuerdo a Wallace y Clarkson (1999) y Seyyed

(2005), la metodología para la solución de problemas de diseño se basa en cinco pasos

principales: 1) definir el problema, 2) recabar la información pertinente, 3) generar

múltiples soluciones, 4) analizar y seleccionar una solución y 5) probar e implementar la

solución. Para el cuarto paso, Seyyed propone matrices de solución en donde las

soluciones generadas sean evaluadas de acuerdo a criterios fijados por el diseñador

asignando calificaciones, siendo la solución elegida la de mayor puntaje.

A continuación se muestra el procedimiento para la aplicación de la metodología

estructurada de diseño:

PASO 1. Para aplicar la metodología estructurada de diseño inicialmente se establece la

declaración de la necesidad que corresponde al Nivel 1 (definir el problema). La

declaración de la necesidad se compone de la necesidad principal + la restricción

principal. Para este caso la necesidad principal es remover agua de moldes de yeso, y la

restricción principal es utilizar un flujo de aire con baja humedad considerando que el

molde no debe pasar los 50ºC y tener un secado homogéneo. Con lo anterior se establece

la declaración de la necesidad la cual se muestra en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5 Declaración de la necesidad, Nivel 1 de la metodología de diseño estructurado.

N-1 Declaración de la necesidad

Necesidad Remover agua de moldes de yeso.

Restricción primaria • Utilizar un flujo de aire con baja humedad

considerando que el molde no debe pasar los 50ºC. • Homogeneidad en el secado.

Declaración de la necesidad

Secar moldes de yeso de manera homogénea a temperaturas no mayores a 50°C.

53


PASO 2. En este paso se recaba la información pertinente. Se establecen 12 subniveles

que responden a partes específicas del diseño de la cámara de secado, ver Tabla 3.6. En la

columna uno se muestra el nivel jerárquico y en la columna dos se describen cada uno de

los niveles que serán evaluados, esto se repite para la columna tres y cuatro.

Tabla 3.6 Niveles considerados para el diseño de la cámara de secado.

Nivel Descripción del nivel Nivel Descripción del nivel

1 Declaración de la necesidad 8 Suministro de aire

2 Control del ambiente 9 Forma del ducto de aire para su distribución en el secador.

3 Tipo de flujo 9-A Material para el ducto

4 Transferencia de calor 10 Extracción de aire

5 Colocación de moldes en el secador 11 Geometría de la cámara

6 Suministro de energía 11-A Número de cubiertas semitransparentes en la envolvente

7 Tipo de calentamiento solar 12 Estructura de la cámara

7-A Cubierta de la cámara

PASO 3. En este paso se trata de generar múltiples soluciones. Para cada subnivel

descrito en el Paso 2 se establecen varias opciones. Como ejemplo, en la Tabla 3.7 se

muestran las opciones de evaluación del Nivel 3, “Tipo de Flujo”. En las filas de la dos a

la cuatro se muestran las opciones consideradas para elegir el tipo de flujo de aire en la

cámara, las cuales se evaluarán en el siguiente paso.

Tabla 3.7 Opciones de evaluación del Nivel 3 de la metodología estructurada de diseño.

Opciones

1. Flujo cruzado en cama. 2. Flujo paralelo. 3. Flujo rotativo.

4. Flujo paralelo en charolas.

PASO 4. En este paso el objetivo es analizar y seleccionar una solución, para esto cada

una de las opciones del Paso 3 se evalúa con una gama de criterios de evaluación, al final

cada opción obtiene un puntaje y la opción con mayor puntaje es la opción elegida.

54


La calificación o puntaje que se asigna en la matriz de evaluación es de acuerdo al

criterio de calificación de la Tabla 3.8. En la columna uno se muestra la calificación

asignada y en la columna dos la descripción que corresponde a la calificación de la

columna uno.

Tabla 3.8 Criterio de calificación para la matriz de evaluación.

Calificación Descripción 1 Pésimo 2 Regular 3 Adecuado 4 Muy adecuado 5 Excelente

La gama de criterios de evaluación se proponen de acuerdo a los requerimientos y

restricciones del cliente y del producto, con base en la revisión bibliográfica realizada y a

la experiencia del diseñador o grupo de diseñadores. Como ejemplo, en la Tabla 3.9 se

muestra la matriz de evaluación del Nivel 3. En la columna uno se muestran las opciones

a evaluar, de la columna dos a la columna doce se muestran los criterios de evaluación, y

en la columna trece se muestra el resultado de la evaluación. En la tercera fila se muestra

el factor de peso, que es el puntaje asignado a cada criterio de evaluación de acuerdo a su

orden jerárquico de importancia, siendo 5 el criterio de evaluación más importante y 1 el

menos importante. Cabe mencionar que el puntaje puede repetirse en el número de

criterios que establezca el diseñador. Para obtener el puntaje total se sigue el siguiente

procedimiento, para cada opción de evaluación, se multiplica cada factor de peso por el

puntaje obtenido en cada criterio de evaluación y la suma de estos productos corresponde

al puntaje total. En la Tabla 3.10 se muestra la tabla de descripción de los criterios de

evaluación utilizados para evaluar las opciones del Nivel 3 (Tipo de flujo). En la columna

uno se muestra el criterio de evaluación, y en la columna dos se muestra a que se refiere

con cada criterio de evaluación. Para este el nivel de tipo de flujo, la opción elegida por

su mayor puntaje es la opción de: flujo cruzado en cama.

55


56


Tabla 3.10 Tabla de descripción de los criterios de evaluación del Nivel 3.

Criterios de evaluación Descripción

Homogeneidad de secado Si el material ha secar presenta un contenido de humedad homogéneo una vez terminado el proceso de secado.

Integridad del molde Se refiere a si las condiciones del producto después de someterse al proceso de secado cumplirían los requerimientos del cliente y del producto.

Facilidad de carga y descarga

Que tan fácil sería manipular el producto dentro del secador, para carga y descarga utilizando este tipo de flujo.

Costo y disponibilidad de materiales

Se refiere al costo de fabricación del secador y de los materiales, así como que tan fácil sería conseguir los materiales para la construcción.

Consumo energía adicional al calentamiento

Se refiere a como si requeriría un consumo de energías adicionales, tales como: eléctrica, gas, gasolina, etc.

Facilidad de operación Si el operar el secador requiería personal altamente capacitado.

Tiempos y movimientos Que tanto afectaría en los tiempos y movimientos programados en el proceso común de fabricación de cerámica el utilizar este tipo de flujo.

Adaptabilidad al proceso principal

Cuanto se adaptaría implementar este tipo de flujo al secador seleccionado, y a su vez al proceso de fabricación que comúnmente usan los Ceramistas.

Control del proceso Facilidad del control de las variables del equipo de secado ( temperatura, humedad relativa)

Tiempo de secado Cuanto tiempo tomaría el proceso de secado utilizando este tipo de flujo.

Transportabilidad La facilidad de trasportar el secador en distancias largas.

Los resultados obtenidos en cada subnivel, una vez aplicada la metodología

estructurada de diseño, pueden verse en la Tabla 3.11. En la columna uno se muestra su

nivel jerárquico, en la columna dos se describe cada nivel, en la columna tres se describe

la opción que obtuvo más puntaje en la evaluación, en la columna cuatro se señalan los

puntos que se consideraron en el diseño del Prototipo 1 y en columna cinco se señalan los

puntos que se consideraron en el diseño del Prototipo 2.

57


Tabla 3.11 Resultados de la aplicación de la metodología de diseño estructurada.

Nivel Descripción del nivel Opción elegida Diseño Prototipo 1

Diseño Prototipo 2

1 Declaración de la necesidad

2 Control del ambiente Sistema con ambiente controlado

3 Tipo de flujo Flujo cruzado en cama

4 Transferencia de calor Convección forzada

5 Colocación de moldes en el secador Cama

6 Suministro de energía Solar

7 Tipo de calentamiento solar Directo-indirecto

7-A Cubierta de la cámara Polietileno

8 Suministro de aire Continuo

9 Forma del ducto de aire para su distribución en el secador.

Ducto en el centro con distribución de aire localizado

9-A Material para el ducto Tela de nylon

10 Extracción de aire Extracción forzada por la parte superior del secador.

11 Geometría de la cámara Cuadrado con techo semicircular

11-A Número de cubiertas semitransparentes en la envolvente

Una cubierta

12 Estructura de la cámara Solera de aluminio

PASO 5. El siguiente paso es implementar la opción elegida.

Con las opciones elegidas para cada nivel de diseño, las cuales se muestran en la

tercera columna de la Tabla 3.11, se propone el diseño del Prototipo 2. La tabla general

de la evaluación de todos los subniveles del diseño del secador se muestran en el

Apéndice B. En la Figura 3.11 se muestra el esquema del secador Prototipo 2 obtenido

con la metodología de diseño. En esta figura se muestra que la cubierta de la cámara de

secado estará constituida por una cubierta transparente con una estructura de anillos

sujetados en la parte superior por dos soportes del mismo material que los anillos sobre el

cual se colocarán los extractores de aire. Por otra parte, la estructura de la cubierta estará

unida a la mesa de llenado y vaciado, y contara con una cubierta en la parte inferior para

evitar pérdidas de calor al ambiente.

58


(a)

(b)

Figura 3.11 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso. (a )Isométrico, (b) Vista frontal.

En la Figura 3.12 se muestra la ubicación del ducto de distribución de aire dentro de

la cámara de secado. Como se muestra en el esquema el ducto esta ubicado en la parte

central y se extiende a lo largo de toda la mesa.

Ducto de distribución de aire

Figura 3.12. Esquema del ducto de distribución de aire de la cámara de secado de

moldes de yeso.

59


Finalmente, en la Figura 3.13 se muestra la manera en la cual estará unida la

estructura de la cubierta de la cámara con la mesa de llenado y vaciado. La unión se

contempla mediante bisagras colocadas en un lateral de la mesa, lo cual permitirá abrir la

cubierta tal y como se muestra en el esquema. Los dibujos de taller del Prototipo 2 se

muestran en el Apéndice C.

(a)

(b)

(c)

Figura 3.13 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso. (a) Isométrico con tapa abierta, (b) Vista frontal abierta, (c) Vista lateral.

60

IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4

Capítulo 4 Implementación de las

nuevas alternativas funcionales

En este capítulo se presenta la construcción del secador con base en el diseño

obtenido en el Capítulo 3. Se muestran los materiales empleados, el ensamblado de cada

sección que forma la cámara de secado y la construcción y caracterización del ducto de

suministro de aire antes de integrarlo al sistema de secado. Por otra parte, se presenta el

equipo experimental, los instrumentos empleados para el monitoreo y el control del

proceso. Finalmente, se muestra el comportamiento térmico del Prototipo 2.

61


4.1 Construcción del Prototipo 2.

Con el diseño obtenido de la aplicación de la metodología estructurada mostrada en

la Sección 3.5, se realizó la manufactura. Este proceso involucra convertir toda la

información detallada en componentes físicos y ensamblar estos componentes para

formar el sistema de secado. La construcción de cada componente y el ensamble final se

describen a continuación.

4.1.1 Mesa de vaciado.

La mesa de vaciado del Prototipo 1 fue adaptada para el nuevo diseño, para ello fue

pulida y pintada con pintura de aceite gris para remover la corrosión. La mesa de vaciado

es de acero estructural. La mesa consta de dos armaduras tipo cabrillas de 6m de largo

con ángulo de 3.81x0.32cm2 y PTR de 7.62x3.71cm2 de 0.32cm, las cabrillas se unieron

para formar un rectángulo de 0.9x6.0m2 el cual se reforzó con ángulo de aluminio en la

parte central. Posteriormente, a la mesa se le adicionó una pata en cada esquina del

mismo tipo de ángulo. La mesa esta unida con soldadura de microalambre para acero

estructural. En la Figura 4.1 se muestra la mesa de vaciado.

Figura 4.1 Mesa de vaciado.

62


4.1.2 Estructura de la cámara.

Para la estructura de la cámara se doblaron a mano nueve costillas de aluminio con

una plantilla de 0.95m de ancho y 0.70m de altura (Figura 4.2). Las costillas están

construidas con solera de aluminio de 5.08x0.47cm2. Las dimensiones del marco de la

estructura de la cámara son de 6.0x0.95m2 y esta construido con ángulo de aluminio

natural de 3.81x0.47cm2. Sobre el marco se sujetan las costillas de aluminio unidas con

soldadura TIG de microalambre de aluminio (Figura 4.3). Las uniones del marco de la

estructura de la cámara se reforzaron con secciones de ángulo de aluminio y con tornillos

con cabeza tipo gota de acero inoxidable de 0.63x2.54cm2, como se muestra en la Figura

4.4.

Figura 4.2 Costillas de la cámara de secado.

Figura 4.3 Unión de las costillas al marco de la estructura de la cámara.

Figura 4.4 Marco de la estructura de la cámara.

63


La estructura de la cámara se unió a la mesa de vaciado mediante siete bisagras de

7.62cm en una de las secciones laterales de la mesa, para ello se utilizaron remaches de

0.47x1.27cm2 permitiendo así que la cubierta de la cámara pueda abrirse (Figura 4.5).

Adicionalmente, se colocaron dos soportes en cada extremo de la cámara para sostener la

estructura de la cámara cuando este en posición abierta. Los soportes se construyeron con

solera de acero de 2.54 cm.

Figura 4.5 Unión de la estructura de la cámara con la mesa de vaciado.

Por otra parte, para dar rigidez a la cubierta de la cámara se colocaron en la parte

superior dos secciones de 6m de perfil cuadrado de aluminio de 2.54x1.27cm2, como se

muestra en la Figura 4.6. La unión del perfil cuadrado con la estructura de la cámara se

realizo utilizando remaches de 0.47x1.27cm2. Adicionalmente, los perfiles de aluminio

sirvieron para introducir todos los cables de los sensores de temperatura, el cable del

sensor de humedad y los cables de alimentación de los dos ventiladores de la cámara.

Figura 4.6 Instalación de las secciones de soporte de la cámara de secado.

64


Por otro lado, en la parte superior de la estructura de la cámara se colocó una base

de aluminio con una cubierta de hule para instalar posteriormente los ventiladores

evitando la ruptura del polietileno de la cubierta (Figura 4.7).

Figura 4.7 Base de aluminio para los ventiladores.

4.1.3 Cubierta de la cámara de secado

Para la cubierta de la cámara se emplea polietileno transparente verdoso de

6.20x8.20m2 con transmitancía de 0.50 y protección UV. Para colocar la cubierta se

instaló en el marco base de la cámara sujetadores galvanizados de 3m. A los sujetadores

se les acopla un alambre en zig-zag para sujetar el polietileno, este sistema de sujeción

permite colocar la cubierta como una sola sabana y evita que el polietileno tenga rupturas

y uniones que afecten su resistencia y durabilidad (Figura 4.8).

Figura 4.8 Sujetador con alambre en zig- zag.

La estructura de la cámara se cubre con dos sabanas de polietileno en los extremos

y con una sabana en la parte superior de la estructura, como se muestra en la Figura 4.9.

Los extremos del polietileno se sujetan con el alambre en zig-zag. Para reforzar las

uniones del polietileno en los extremos de la cámara se utilizo un segmento de hule

blanco remachado en tres secciones, los remaches utilizados son de 1.27x0.47cm2, como

se muestra en la Figura 4.10.

65


Figura 4.9 Instalación de la cubierta de la cámara de secado.

Figura 4.10 Unión de la cubierta superior con las tapas laterales de la cámara.

4.1.4 Suministro de aire.

Para colocar el ducto de suministro de aire en la cámara se instala un soporte de

alambre de acero de 0.39cm de diámetro, este alambre se sujeta a los extremos de la mesa

de vaciado utilizando una varilla roscada de 0.47cm de diámetro. Este soporte permite

tensar el alambre según las necesidades que se tengan y además permite montar y

desmontar el ducto con facilidad. En la Figura 4.11 se muestra a la izquierda la varilla

roscada en forma de U y en la parte derecha de la Figura se muestra la tuerca de ajuste.

Figura 4.11 Soporte para el ducto de aire.

Zona de remache

Tierca de ajuste Varilla

roscada en U

Alambre en Zig zag

66


El ducto de suministro de aire se construyó de tela impermeable con una longitud

de 6m para abarcar el tamaño de la mesa de vaciado y llenado. El diámetro del ducto fue

obtenido de la Figura 9 del ASHRAE Handbook 2005, esta figura es un mapa de fricción

de ductos circulares (Apéndice D). El diámetro del ducto se obtiene conociendo la

velocidad y la cantidad de aire de suministro en m/s y lt/s respectivamente. La velocidad

de suministro de aire considerada fue la máxima velocidad alcanzada con el extractor del

intercambiador de calor, que fue de 2.62m/s con un flujo de suministro de aire de

33.18lt/s, con lo que se obtuvo un diámetro de 130.83mm aproximadamente 5.15

pulgadas. Por lo cual, el ducto se construyó de 6m de largo y 130.83mm de diámetro. La

distribución de las salidas de aire se realizó de manera experimental, para ello se instaló

el ducto en el laboratorio y se conectó la entrada de aire a un ventilador centrifugo para

simular la operación del ducto, ver Figura 4.12.

Figura 4.12 Ducto de aire para pruebas experimentales.

Una vez que el ducto se instaló en el laboratorio se encendió el extractor y el ducto

se infló debido a su flexibilidad. Una vez que el ducto se pone a operar se procede a abrir

pequeños orificios para la salida de aire, el número y ubicación de las salidas de aire es el

número y ubicación de los moldes que caben en la cámara de secado (40 moldes de

yeso), esto considerando que el flujo de aire a la salida de cada orificio se dirija a cada

molde de yeso. Los orificios del ducto se fueron abriendo paulatinamente empezando por

diámetros pequeños (0.5cm) para evitar que el ducto perdiera presión y se contrajera. Al

mismo tiempo que se abrían los orificios, se probó que las salidas fueran homogéneas, es

decir, que la misma cantidad de aire saliera por todos los orificios.

67


La homogeneidad se probó utilizando dos técnicas, la primera técnica consiste en

un dispositivo que esta formado de un tubo de acrílico de 7.62cm de diámetro y una

altura de 100cm, en la parte inferior consta de una reducción de cobre de 7.62cm a

1.27cm, con la finalidad de adaptar el orificio a la entrada del dispositivo, ver Figura

4.13. Dentro del dispositivo se colocó una pelota de unicel de aproximadamente 5.08cm

de diámetro, cuando el dispositivo se coloca en uno de los orificios de salida el aire se

direcciona y entra empujando la pelota de unicel hacia arriba, subiendo paulatinamente

hasta alcanzar una altura determinada en la cual permanece estable, esa altura se anota y

se repite el mismo experimento para cada orificio. Para verificar la homogeneidad se

comparan los resultados de las alturas anotadas para cada orificio, considerando que para

que las salidas de aire sean homogéneas las alturas de cada orificio deben de estar en una

misma altura.

Figura 4.13 Dispositivo 1 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.

El segundo dispositivo se realizó con una hélice y un motor de corriente directa

que puede funcionar como generador conectados a un multímetro para la medición de

voltaje (Figura 4.14). El dispositivo se utilizó como un anemómetro de hélice, al acerca la

hélice a la salida de aire se registra el voltaje en el multímetro en un lapso de tiempo,

esto se hace para cada orificio del ducto. Se considera, que las salidas de aire son

homogéneas sí en la medición se obtienen voltajes similares.

Una vez que los 40 orificios del ducto se abrieron y se probaron con ambos

dispositivos, el siguiente paso fue aumentar el área de los orificios hasta donde fuera

posible, es decir, evitando la contracción del ducto, con lo cual los orificios pasaron de

68


0.5cm hasta un diámetro final de 1.27cm, con este diámetro final se obtuvieron las

lecturas de altura (dispositivo 1) y voltaje (dispositivo 2) para cada orificio de salida.

Figura 4.14 Dispositivo 2 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.

Los resultados de altura y voltaje a lo largo de todo el ducto se muestran en la

Figura 4.15. En la gráfica se muestran un voltaje 1 (V1) y un voltaje 2 (V2), cada voltaje

se refiere a una línea de 20 orificios que se hicieron a lo largo del ducto, de acuerdo a la

ubicación de los moldes en la cámara. La misma analogía se sigue para las alturas. Como

se muestra en la Figura 4.15 el flujo de aire de cada orificio de salida del ducto no son

completamente iguales, sin embargo tienen poca fluctuación siendo la máxima variación

en el voltaje (V) de 4mV y la máxima variación en las alturas (H) es de 2cm. Este

comportamiento de las salidas de aire se consideró adecuado para el ducto de suministro

de aire de la cámara. Después de las pruebas experimentales, el ducto de aire se colocó

dentro de la cámara de secado utilizando el soporte con alambre de acero sujetado a la

mesa de vaciado.

69


Figura 4.15 Gráfica de altura y voltaje de los orificios de salida contra longitud del ducto.

4.1.5 Salidas de aire.

Para la extracción de aire de la cámara se emplean dos ventiladores de marca Steren

de 12V corriente directa, 230 mA y 2.80 W de potencia. Los ventiladores se colocaron en

cajas de lámina galvanizada con una base de aluminio con una cubierta de hule en la

parte baja formando una chimenea de 0.15x0.30m2, tal como se muestra en la Figura

4.16. En la parte alta de la chimenea se instaló una tapa de latón en forma de domo con

varillas roscadas de 0.47cm para protección de la intemperie, como se muestra en la

Figura 4.17. Las varillas roscadas permiten bajar o subir la tapa según se requiera.

Figura 4.16 Construcción de las chimeneas para los ventiladores.

70


Figura 4.17 Cubierta de las chimeneas de los ventiladores.

Los ventiladores se atornillan a las bases que se encuentran en la parte superior de

la estructura de la cámara y una vez sujetados se abren dos tapas en el polietileno para

permitir la salida de aire por los ventiladores (Figura 4.18).

Figura 4.18 Instalación de ventiladores en la cámara de secado.

4.1.6. Adaptación del sistema de colectores solares.

El banco de colectores solares del sistema de secado se desmontó del cobertizo para

recibir mantenimiento debido al largo período de exposición durante el cual había

operado. Durante el mantenimiento se detectó deterioro en el aislamiento térmico de

Armaflex posterior y lateral de los colectores, además de que varias de las cubiertas de

los colectores estaban fracturadas y como consecuencia de ello la placa absorbedora

mostró deterioro en su recubrimiento debido a que se filtró agua hacia el interior, como se

ve en la Figura 4.19. Los colectores solares recibieron mantenimiento y se reemplazó: su

aislamiento térmico y su cubierta de vidrio transparente de 4mm por una cubierta de

71


policarbonato cristal de 6mm que es más resistente que el vidrio. La cubierta de

policarbonato se colocó en los colectores y se selló con silicón negro en el marco,

adicionalmente se protegió con cinta gris para ducto y finalmente se remachó al marco de

aluminio con remaches de 0.31x0.95m2. Después del mantenimiento los colectores se

subieron al cobertizo en su posición original, como se ve en la Figura 4.20.

Figura 4.19 Deterioro en los colectores solares.

Figura 4.20 Colectores solares después del mantenimiento.

Ruptura del vidrio de la cubierta en varias secciones

4.2 Equipo experimental.

El Prototipo 2 se muestra terminado en posición abierta en la Figura 4.21. Este

nuevo prototipo tiene la posibilidad de ser operado por una sola persona, debido a que los

soportes de la cubierta pueden colocarse uno a la vez y mantener la cubierta abierta

mientras se cargan y descargan los moldes. Además, el espacio de apertura de la cubierta

es suficiente para manipular todos los moldes que caben en la cámara.

72


Figura 4.21 Cámara de secado, Prototipo 2.

En la Figura 4.22 se esquematiza el equipo experimental completo del sistema de

secado. La sección sombreada en gris, representa el Prototipo 2 y el resto de la imagen

representa las secciones del equipo experimental que se utilizaron del Prototipo 1. El

equipo experimental completo se divide en cuatro secciones: del lado izquierdo de la

figura se muestra el sistema de calentamiento de agua (1, 2A, 3 y 4); en la parte central de

figura se muestra el sistema de calentamiento de aire (2B, 5 y 9); del lado derecho de la

figura se muestra la sección de secado (6 y 7) y en la parte superior de la figura se

muestra la sección donde se monitorea y registra la temperatura, la humedad relativa y la

radiación global del sistema de secado (8).

Figura 4.22 Equipo experimental para el secado de moldes de yeso.

73


A continuación, de acuerdo a la numeración de la Figura 4.22 se describen cada uno

de los accesorios y equipos que forman parte del equipo experimental:

1) Banco de colectores solares: sección de captación de energía solar donde el agua

proveniente de termotanque se calentará.

2A) Bomba hidráulica 1: bomba para circular el agua del termotanque al banco de

colectores.

2B) Bomba hidráulica 2: bomba para circular el agua del termotanque al intercambiador

de calor

3) Flujómetro: dispositivo para la medición del flujo de agua hacia los colectores.

4) Termotanque: es el sistema de almacenamiento de la energía proveniente de los

colectores y suministro agua al intercambiador de calor.

5) Intercambiador de calor: es la sección donde al agua del termotanque cede calor para

el calentamiento del aire.

6) Cámara de secado: sección donde se lleva a acabo el proceso de secado de los moldes

de yeso.

7) Ventiladores: dispositivos colocados en la parte superior de la cámara que funcionan

como extractores del aire húmedo de la cámara.

8) Monitoreo y control de variables: en esta sección se lleva acabo el monitoreo y

control de las variables de temperatura y humedad relativa del sistema de secado

completo, así como las variables de la estación meteorológica (temperatura ambiente,

radiación global y humedad relativa).

9) Controlador de velocidad: dispositivo que permite variar la frecuencia de la bomba,

para suministrar el agua proveniente del termotanque al intercambiador de calor con

diferente velocidad.

Por otra parte, el sistema hidráulico que interconecta las diferentes secciones del

equipo experimental que se muestra en la Figura 4.22, consta de tubería de cobre,

accesorios de acero galvanizado, válvulas de paso entre los dispositivos del sistema

74


(válvula 1 y 2) y filtros de agua para el buen funcionamiento de las bombas (Filtro 1 y

2). Además, el sistema hidráulico que conecta al banco de colectores, termotanque e

intercambiador de calor tiene un sistema tipo baipás que permite circular agua

directamente entre el intercambiador de calor y el banco de colectores, sin pasar por el

termotanque, válvula 3.

El equipo experimental de secado funciona de la siguiente manera, el sistema inicia

su operación cuando la radiación solar global es mayor a 450W/m2, en ese momento la

bomba 1 se activa succionando agua de la parte inferior del termotanque y bombeando

ese flujo de agua hacia el banco de colectores, este flujo es regulado con el flujómetro.

El agua que circula por el banco de colectores se calienta y regresa por la parte superior

del termotanque donde se almacena, este proceso continua siempre que la radiación

global sea mayor a 450W/m2, en caso contrario el agua se mantiene almacenada en el

termotanque. Posteriormente, la bomba 2 se activa y succiona agua caliente del

termotanque haciéndola circular por el intercambiador de calor. En el intercambiador

de calor, el agua proveniente del termotanque cede energía para calentar un flujo de aire

proveniente del ambiente y después regresa al termotanque con menor temperatura. El

flujo de aire caliente sale del intercambiador de calor y entra a la cámara de secado por

un ducto de suministro de aire, el aire caliente sube y remueve una cantidad de agua de

los moldes, iniciando así el proceso de secado. El flujo de aire con el contenido de agua

que removió de los moldes, sale de la cámara de secado con ayuda de los ventiladores

ubicados en la parte superior del secador. Este ciclo de operación se repite hasta que el

contenido de humedad en el tiempo de los moldes de yeso es 1%≤ , que es cuando el

proceso de secado termina.

4.3 Instrumentación y control del sistema de secado.

La instrumentación para el monitoreo del secador se realizó con el fin de medir y

visualizar en períodos de tiempo dados las variables de temperatura, humedad relativa y

radiación global. Con la medición de estas variables se podría evaluar la ncoll, nSC, nint y

n.

75


La instrumentación del sistema de secado se realizó siguiendo la estrategia

mostrada en el equipo experimental de la Figura 4.22. Las líneas continuas corresponden

a los sensores que fueron reemplazados en la puesta apunto del secado, mientras que las

líneas punteadas corresponden a los sensores que se utilizaron del Prototipo 1. En la

Tabla 4.1 se muestra la instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema

de secado. En la primera columna se muestra la cantidad de instrumentos que se emplean

para medir las variables físicas, en la segunda columna se describe el tipo de sensor o

instrumento de medición utilizado, en la tercer columna se indica la incertidumbre de

medición del instrumento, en la columna cuatro se muestra la imagen del instrumento y

en la columna cinco se indica la variable física a medir.

Tabla 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de secado.

Cantidad Sensor o

instrumento de medición

Incertidumbre Imagen del instrumento Variable física a medir

2 Sensor de

temperatura, LM35.

± 0.5°C

Temperatura del agua a la entrada y a la salida

del banco de colectores.

1 Flujometro, GPI. ± 2.0%

Flujo de agua hacia los

colectores.

5 Sensores de temperatura,

LM35. ± 0.5°C

Temperatura del agua en el termotanque.


LM35. ± 0.5°C

Temperatura del agua a la entrada y salida del

intercambiador de calor.

1 Sensor de

temperatura, LM35.

± 0.5°C

Temperatura del aire en el túnel de entrada a la

cámara de secado.


LM35. ± 0.5°C

Temperatura del aire al interior de la cámara de

secado.

76


Continuación…Tabla 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de secado.

1 Sensor de humedad HMP50.

± 3.0% HR

(0-98% HR)

Humedad relativa del aire en el túnel de

entrada a la cámara de secado.

1 Sensor de humedad HMP50.

± 3.0% HR

(0-98% HR)

Humedad relativa del aire en el interior de la cámara

de secado.

1 Balanza, L-PCR 20. ± 0.005 kg

Peso de los moldes de yeso durante la prueba de

secado.

1 Piranómetro de primera clase,

EPPLEY ± 1.0% Radiación global.

1

Sensor de humedad relativa

y temperatura ambiente,

HMP45A

0-90% ± 2%

90-100% ± 3%

± 0.5°C

Humedad relativa del ambiente y Temperatura

ambiente.

Todas las variables físicas son monitoreadas mediante un sistema de adquisición de

datos DATALOGER marca Vaysala y software Maws Lizar y Maws Terminal. Las

mediciones de las variables pueden visualizarse en una compuatadora mediante el

Software Lab-view de manera gráfica.

El control del sistema de secado se realiza en tres secciones principales: la Bomba 1

de suministro de agua al banco de colectores, la Bomba 2 que suministra agua al

intercambiador de calor y el sistema de extractores en la cámara de secado, como se ve en

la Figura 4.22. Este sistema de control utilizado es el que existía en el Prototipo 1, sin

embargo, se adaptó a los requerimientos del Prototipo 2. Las tres secciones de control

están separadas, el control de la Bomba 1 se realizó con controladores de bajo costo y

con un sistema de adquisición de datos tipo PXI de la marca National Instruments

mediante el sofware Lab-view, que controla el sistema hidráulico del sistema de secado.

La Bomba 2 esta controlada con un controlador de velocidad que varia la frecuencia de la

77


bomba para suministrar al intercambiador de calor agua a diferentes razones de flujo, con

el fin de mejorar la transferencia de calor entre el agua y el aire. Por último, los

extractores de la cámara se encienden y apagan con un solo switch de manera manual.

4.4 Comportamiento térmico del Prototipo 2.

Una vez construido e instrumentado el Prototipo 2, se procede a verificar el

funcionamiento completo del secador, para esto se inicia el monitoreo de las variables de

temperatura y humedad relativa del aire de la cámara de secado y del ambiente. En la

Figura 4.23 se muestra el comportamiento de la humedad relativa del aire dentro de la

cámara, HRC, a la entrada de la cámara, HRT, la humedad relativa del ambiente, HRamb y

la radiación global para la Prueba 1 realizada el 30 de Mayo de 2008, que duró 8 días.

s

Figura 4.23 Comportami1 con una

En la Figura 4.23

segunda con días lluvioso

corresponde a los días so

15% y para la HRamb de

Días soleado

s

ento de la humedad relativa deduración de 8 días de secado.

se distinguen dos secciones, la

s. Como se muestra en la gráf

leados se tiene un promedio d

38%. Es importante notar qu

Días lluvioso

l aire en el Prototipo 2, Prueba

primera con días soleados y la

ica, para la primera sección que

e HRC de 40%, para la HRT de

e en esta sección la diferencia

78


promedio entre la HRC y la HRT es de 25%, mientras que la diferencia promedio entre la

HRamb y la HRT es de 23%. Estos resultados sugieren que el mismo porcentaje que se

disminuye de HRamb al momento de entrar a la cámara, es el mismo porcentaje que se

aumenta a la HRT como producto de la humedad que remueve el aire de los moldes de

yeso de la cámara. Por otra parte, para la segunda sección que corresponde a los días

lluviosos se tiene un promedio de HRC de 44%, para la HRT de 35% y para la HRamb de

72%. Para esta sección la diferencia promedio entre la HRC y la HRT es de 9%, mientras

que la diferencia promedio entre la HRamb y la HRT es de 37%. Los resultados de esta

sección muestran que al aumentar HRamb también aumenta la HRT, mientras que la HRC

se mantiene en un porcentaje similar en ambas secciones. Por lo que, aunque la HRamb

aumente la HRC se mantiene sin variaciones significantes, debido a que los moldes se

encuentran en la etapa final de secado y a que el porcentaje de HRamb se disminuye con

el intercambiador de calor y la HRT que finalmente entra a la cámara ya esta reducida en

la mitad.

Por otro lado, en la Figura 4.24 se muestra el comportamiento de la temperatura

del aire promedio de la cámara, TPC, la temperatura del aire a la entrada de la cámara, T ,

la temperatura del aire del ambiente, T

1

amb y la radiación global para la Prueba 1 realizada

el 30 de Mayo de 2008, que duró 8 días.

79


s

s

Figura 4.24 Compocon u

En esta gráfic

soleados y la segund

sección que correspo

promedio de T de 41

promedio entre la 1T

y la TPC es de 9°C. E

energía al agua de

liquido a vapor. Mie

del ambiente debido

para la segunda secc

de 28°C, un promedi

diferencia promedio

entre la T y la T1 PC e

cuando la temperatur

Días soleado

rtamiento de la temperatura del airna duración de 8 días de secado

a de la Figura 4.24 se distinguen do

a con días lluviosos. Como se muest

nde a los días soleados se tiene un

1°C y un promedio de Tamb de 27°C

y la Tamb es de 14°C, mientras que la

stos 9°C corresponden a la temperatu

la superficie de los moldes de yeso

ntras que los 14°C corresponden al a

a la energía cedida por el agua prove

ión que corresponde a los días lluvio

o de T de 32°C y un promedio de T1 a

entre la T y la T1 amb es de 10°C, mien

s de 4°C. Como lo indican los resu

a ambiente disminuyó en un promed

Días lluvioso

e en el Prototipo 2, Prueba 1

s secciones, la primera con días

ra en la gráfica, para la primera

promedio de TPC de 32°C, un

. En esta sección la diferencia

diferencia promedio entre la T 1

ra que perdió el aire al ceder su

para que cambiará de fase de

umento de temperatura del aire

niente del SCA. Por otra parte,

sos se tiene un promedio de TPC

mb de 22°C. Para esta sección la

tras que la diferencia promedio

ltados, aún en los días lluviosos

io 5°C, el aire a la entrada de la

80


cámara se mantuvo 10°C por arriba de la Tamb y la TPC se mantuvo siempre por arriba de

la Tamb. Estos resultados indican que aún en las condiciones climáticas adversas fue

posible evaluar el comportamiento térmico del Prototipo 2, obteniendo resultados

satisfactorios para el proceso de secado de los moldes de yeso, cuyo tiempo de secado fue

de 5 días bajo estas condiciones.

A continuación se presentará en el siguiente capitulo el estudio de costos y

eficiencias de los Prototipos 1 y 2.

81

ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5

Capítulo 5

Análisis costo-beneficio de las nuevas alternativas

funcionales

En este capítulo se presenta un análisis comparativo costo-beneficio de los

prototipos 1 y 2 para evaluar la viabilidad del nuevo diseño, los criterios de comparación

que se consideraron entre ambos prototipos son: a) peso y costo de la cámara, b)

homogeneidad de secado, c) aprovechamiento de la energía solar, d) mejoramiento de la

eficiencia, e) constante y tiempo de secado, y f) degradación de la cámara de secado

(materiales y funcionalidad).

82


5.1 Análisis comparativo de los secadores.

Una vez que se implementó y evaluó el Prototipo 2, el siguiente paso en la

metodología de diseño es realizar un análisis costo-beneficio entre ambos prototipos. El

análisis se realiza con los siguientes puntos: a) peso y costo de la cámara de secado, b)

homogeneidad de secado, c) aprovechamiento de la energía solar, d) mejoramiento de la

eficiencia, e) constante y tiempo de secado, y f) análisis de la degradación de la estructura

física de la cámara de secado.

5.1.1 Peso y costo de la cámara.

En la Tabla 5.1 se muestra un comparativo de los costos entre el Prototipo 1 y 2 de

cada sección de la cámara de secado. En la columna uno, se indica cada sección de la

cámara de secado, en la columna dos y cuatro se indican las cantidades de material

utilizado para la construcción de cada sección y en las columnas tres y cinco se presentan

los costos del material utilizado en cada sección. Las secciones que se consideran son, 1)

cubierta de la cámara, 2) estructura de la cámara, 3) mesa de vaciado y llenado, 4) lona de

recolección, 5) ducto de suministro de aire, 6) unión de la estructura, 7) extractores de

aire y 8) mecanismo de desplazamiento.

Tabla 5.1 Tabla comparativa de costos de materiales de la cámara de secado.

Prototipo 1 Prototipo 2

Sección de la cámara Cantidad Costo ($) Cantidad Costo ($)

1) Cubierta de la cámara --------- ---------

- 3 kg polietileno - Remaches

200.03

Lámina galvanizada y remaches 45.2 m2 2100.00 --------- ---------

Fibra de vidrio 20.0 m2 350.00 --------- ---------

Hule protección 12.0 m 300.00 --------- ---------

Bisagras 4 60.00 --------- ---------

Sujetador de puerta 2 120.00 --------- ---------

Sellador de puerta 5 mt 100.00 --------- ---------

2) Estructura de la cámara

- 82.3 m de PTR de1x1x1/8

- 2.24 m2 de acrílico 2200.00 --------- ---------

83


Costillas de aluminio --------- --------- 9m soleras de 2” 753.85

Sujetadores y alambre --------- --------- - 45m2 de sujetador - 2 kg de alambre 730.00

Base --------- --------- 14 m de ángulo de 11/2 x 3/16 700.08

Bisagras --------- --------- 8 (3”) 150.00

Soportes de sujeción --------- --------- - 3 m solera de hierro de 1”

- Manija 90.00

Soporte de ventiladores --------- --------- 12m de cuadrado blanco de aluminio

200.00

3) Mesa de vaciado y llenado.

- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8

- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8

- Soldadura - Pintura gris

1900.00

- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8

- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8

- Soldadura - Pintura gris - Remaches - Hule de protección soladura

2100.00

4) Lona de recolección 16 m2 130.00 16m2 130.00

5) Ducto de suministro de aire.

- 6 m de PVC - 1 ducto de aluminio 260.00 - 3 m de Tela

- 1 ducto de aluminio 260.00

6) Unión para la estructura.

2 kg de electrodos de ¼ 160.00

- 1.4 kg alambre de aluminio

- 8 tornillos inoxidables de 1/4x1 ½

300.00

7) Extractores de aire. 2 extractores 150.00

- 2 extractores - 2 caja de lámina galvanizada

200.00

8) Ruedas para desplazar la cámara. 4 560.00 --------- ---------

TOTAL 8,390.00 5813.96

Los costos de los materiales mostrados en la Tabla 5.1 para cada sección de la

cámara de secado indican, que el costo de la cubierta de la cámara del Prototipo 2 es 94%

menor que el costo de la cubierta del Prototipo 1, mientras que el costo de la estructura de

la cámara es 46.8% mayor que el costo de la estructura del Prototipo 1. La mesa de

84


vaciado y llenado al igual que la lona de recolección de ambos prototipos tienen costos

iguales, debido a que se utilizó la misma mesa para los dos secadores. Por otra parte, el

material para el ducto de suministro de aire del Prototipo 2 tiene el mismo costo que en

el Prototipo 1, esto pese a que están construidos de materiales diferentes. Los materiales

utilizados para las uniones de la estructura y los extractores de aire de la cámara del

Prototipo 2 son 87 y 33% más costosos respecto al utilizado en el Prototipo 1.

Finalmente, el costo total del Prototipo 2 es 30.7 % menor con respecto al costo del

Prototipo 1. Por otra parte, para la construcción del Prototipo 1 haciendo un estimado se

tiene que considerando que tres personas trabajaran en conjunto se requeriría de un

promedio de 8 días de trabajo, mientras que para la construcción del Prototipo 2 se

requerirían de un promedio de 5 días de trabajo.

En la Tabla 5.2 se muestra el comparativo del peso de los materiales utilizados para

la construcción de la cámara de secado. En la columna uno, se muestra cada sección de la

cámara de secado, en la columna dos y cuatro se muestran las cantidades de material

utilizado para la construcción de cada sección y en las columnas tres y cinco se muestra

el peso de los materiales utilizados en cada sección de ambos prototipos.

Tabla 5.2 Tabla comparativa de pesos de materiales de la cámara de secado.

Prototipo 1 Prototipo 2

Sección de la cámara Cantidad Peso (kg) Cantidad Peso (kg)

1) Cubierta de la cámara --------- --------- - 3 kg polietileno - Remaches

3.1

Lámina galvanizada y remaches 45.2 m2 142.8 --------- ---------

Fibra de vidrio 20.0 m2 6.0 --------- ---------

Hule protección 12.0 m 8.9 --------- ---------

Bisagras 4 0.1 --------- ---------

Sujetador de puerta 2 0.5 --------- ---------

Sellador de puerta 5 mt 0.2 --------- ---------

2) Estructura de la cámara

- 82.3 m de PTR de1x1x1/8

- 2.24 m2 de acrílico

73.0 --------- ---------

85


Costillas de aluminio --------- --------- 9m soleras de 2” 10

Sujetadores y alambre --------- --------- - 45m2 de sujetador - 2 kg de alambre 21.2

Base --------- --------- 14 m de ángulo de 11/2 x 3/16 14.9

Bisagras --------- --------- 8 (3”) 0.2

Soportes de sujeción --------- --------- - 3 m solera de hierro de 1”

- Manija 1.8

Soporte de ventiladores --------- --------- 12m de cuadrado blanco de aluminio

2.1

3) Mesa de vaciado y llenado.

- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8

- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8

- Soldadura - Pintura gris

105.2

- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8

- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8

- Soldadura - Pintura gris - Remaches - Hule de protección soladura

108.1

4) Lona de recolección 16 m2 6.5 16m2 6.5

5) Ducto de suministro de aire. - 6 m de PVC - 1 ducto de aluminio

7.6 - 3 m de Tela - 1 ducto de aluminio 1.2

6) Unión para la estructura. 2 kg de electrodos de ¼ 2.0

- 1.4 kg alambre de aluminio

- 8 tornillos inoxidables de 1/4x1 ½

1.5

7) Extractores de aire. 2 extractores 0.7

- 2 extractores - 2 caja de lámina galvanizada

2.5

8) Ruedas para desplazar la cámara. 4 3.2 --------- ---------

TOTAL 356.7 173.1

El peso de los materiales mostrados en la Tabla 5.1 para cada sección de la cámara

de secado indica, que la cubierta de la cámara del Prototipo 2 es 98% menor en peso que

la cubierta del Prototipo 1. También, el peso de la estructura de la cámara es 32.5%

menor que el peso de la estructura del Prototipo 1, mientras que el peso de la mesa de

86


vaciado y llenado del Prototipo 2 es 2.8 % mayor que el peso de la mesa del Prototipo 1.

La lona de recolección tiene el mismo peso, debido a que se utilizó la misma para ambos

prototipos. Por otra parte, el peso del ducto de suministro de aire del Prototipo 2 es

90.7% menor que el peso del ducto del Prototipo 1. El peso de las uniones de la

estructura del Prototipo 2 es 25% menor que en el Prototipo 1, mientras que el peso de los

extractores de aire de la cámara del Prototipo 2 es 257.1% mayor que el peso de los

extractores en el Prototipo 1. Finalmente, el peso total del Prototipo 2 es 51.5 % menor

que el peso del Prototipo 1.

5.1.2 Homogenización en el secado.

En la Figura 5.1 se muestra la comparación de la disminución del peso de los

moldes de yeso para los Prototipos 1 y 2. En la figura se muestra con la banda sombreada

el ancho de la diferencia en la disminución de peso de diferentes ubicaciones de los

moldes en el Prototipo 1, mientras que las curvas de disminución de peso de los seis

moldes de yeso corresponden al Prototipo 2. En la gráfica se muestra que en el Prototipo

1 la diferencia máxima en la disminución del peso entre moldes fue en promedio de

1.7kg, mientras que en el Prototipo 2 esta diferencia fue de tan solo 1.2kg. También, se

muestra que conforme transcurre la prueba esta diferencia se reduce de 1.2kg hasta llegar

a 0.4kg.

La tendencia de disminución de peso en el Prototipo 2 indica una disminución de

peso más homogénea comparada con el secado en el Prototipo1, esto también puede

verse en la Figura 5.2, donde se muestra la comparación de la disminución del contenido

de humedad de los moldes de yeso en los prototipos 1 y 2. La banda sombreada

corresponde a la diferencia en el contenido de humedad de seis moldes ubicados a lo

largo y ancho en el Prototipo 1, mientras que las curvas en la gráfica muestran la

disminución del contenido de humedad para los seis moldes de yeso en el Prototipo 2.

87


Figura 5.1 Historia del comportamiento de la disminución de peso de seis moldes de

yeso ubicados en diferentes posiciones para los prototipos 1 y 2.

En la Figura 5.3 se muestra que en el Prototipo 1 la diferencia máxima del

contenido de humedad de los moldes fue de 15%, mientras que en el Prototipo 2 fue de

tan solo el 8%. Como se muestra en la figura, el ancho de banda representa la diferencia

del contenido de humedad en el Prototipo 1 y es de notar que se redujo en un 46% con el

Prototipo 2.

Figura 5.2 Historia de la disminución del contenido de humedad en los moldes de yeso

para los prototipos 1 y 2.

88


5.1.3 Aprovechamiento de la energía solar.

En la Figura 5.3 se muestra la energía consumida por la cámara de los prototipos 1

y 2, durante el tiempo promedio de las pruebas realizadas en cada prototipo. La línea

punteada corresponde al Prototipo 1, con un tiempo de secado promedio de 10 días y la

línea continua corresponde al Prototipo 2, con un tiempo de secado promedio de 8 días.

La energía empleada para el secado en la cámara del Prototipo 1 inicia con un consumo

de 2.27MJ/hr disminuyendo conforme se lleva acabo el proceso de secado, alcanzando

un consumo de energía final de 1.57MJ al final de 239 horas de secado, con un consumo

total de 455.24 MJ. El comportamiento del consumo de energía del Prototipo 1 se utilizó

como referencia para el análisis del Prototipo 2.

Figura 5.3 Historia de la energía empleada para el secado de la cámara de los

prototipos 1 y 2.

El porcentaje de energía suministrado por la cubierta de la cámara en la Sección

3.3.2 fue estimado en 41%. Sin embargo, los datos experimentales que se muestran en la

gráfica de la Figura 5.1 indican que la energía empleada para el secado del SCA del

Prototipo 2 es en promedio 30% menor que la energía empleada para el secado del

Prototipo 1, con un total de 264.50 MJ. El 30% de la energía adicional para que se lleve

acabo el proceso de secado en el Prototipo 2, es suministrado por la cubierta

89


semitransparente de la cámara. Este resultado se obtuvo considerando la transmitancia de

la cubierta de la cámara que fue 0.5, la cual fue evaluada monitoreando la radiación solar

en dos piranómetros horizontales, uno de los cuales estaba cubierto por la cubierta de

polietileno y el otro era el piranómetro de referencia.

5.1.4 Mejoramiento del sistema de captación solar.

En la Figura 5.4 se muestran los valores de eficiencia promedio para cada sección

de los prototipos 1 y 2 calculado con las Ecuaciones 2.4-2.7. Como se muestra en la

Figura 5.4, en el Prototipo 2 las eficiencias del sistema de captación solar y del SCA

aumentaron 0.04 puntos, sin embargo este aumento se encuentra dentro de la

incertidumbre de medición de para el sistema de captación solar y de para

el SCA (Apéndice E). Por otra parte, la diferencia entre las eficiencias del sistema de

calentamiento de aire en ambos prototipos es de 0.01 puntos, esta diferencia también se

encuentra dentro de la incertidumbre de medición de este sistema que es de . Por

otro lado, como se muestra en la figura la eficiencia del sistema de secado completo

aumentó 0.05 puntos en el Prototipo 2, con una incertidumbre de medición de ± .

Este aumento de eficiencia del sistema completo se encuentra fuera de la incertidumbre

de medición, por lo que en general puede decirse que la eficiencia del Prototipo 2

aumentó.

0.05± 0.07±

0.02

0.01±

Figura 5.4 Eficiencia de las cuatro secciones evaluadas del sistema de secado.

90


Por otro lado, en la Tabla 5.3 se muestra el tiempo de secado y la constante de

secado promedio en cada prototipo. En la columna uno se muestra el número de prueba

realizada, en la columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente

seco, en la columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de

humedad requerido por los ceramistas y en la columna cuatro se muestra la constante de

secado calculada con la ecuación 2.3.

Tabla 5.3 Comparativo del tiempo de secado y constante de secado entre los prototipos 1 y 2.

Pruebas

Tiempo de secado total

(días)

Tiempo de secado

ceramistas (días)

k (h-1)

Prototipo 1 9 5.5 0.049 Prototipo 2 8 4.0 0.052

Como se muestra en la Tabla 5.3 el tiempo de secado de total se redujo en 11.1%,

mientras que el tiempo de secado ceramista se redujo en un 27.3%. Por otra parte, la

constante de secado aumento 7.8 % en el Prototipo 2.

Con estos resultados se observa, que aunque el Prototipo 2 tiene las mismas

eficiencias en los sistemas de captación solar, SCA y calentamiento de aire. Sin embargo,

debido al aprovechamiento adicional de la energía solar directa los moldes de yeso en

este segundo prototipo se secaron en menor tiempo y la eficiencia aumento en 5%

comparado con la eficiencia del Prototipo 1.

5.1.5 Análisis de la estructura física de los prototipos 1 y 2.

Después de año y medio de operación y en condiciones de semi-intemperie, el

Prototipo 1 presentó degradación de la estructura de acero de la cámara debido a

oxidación. Además, a pesar de que el secador se encontraba bajo techo, el aislante

superior de la cámara presentó degradación debido a la entrada de agua de lluvia por la

geometría cuadrada de la cámara que permitió acumulación en su parte superior.

También, las secciones móviles de la cámara presentaron degradación debido a la

oxidación y se perdió esta funcionalidad temporalmente. Por otra parte, la cubierta

91


exterior de lámina galvanizada se mantuvo en buenas condiciones durante el año y medio

de operación, y su estado sugiere que puede durar más tiempo.

En el caso del Prototipo 2, después de cuatro meses de operación no ha presentado

degradación y el estado físico de su estructura sugiere que no aparecerá en un plazo

mediano, esto debido al material de su estructura. Por otra parte, la flexibilidad de la

cubierta de la cámara ha soportado satisfactoriamente condiciones climáticas de sol,

lluvia y granizo. Además, de que esta cubierta tiene la facilidad de poder reemplazarse

cuando sufra degradación o algún defecto. En condiciones de uso normal, se recomienda

cambiarla en períodos de un año y en cuestión de tiempo de trabajo tomaría sólo un día

reemplazarlo. Por otra parte, la forma geométrica de la cámara permite drenar el agua de

lluvia que incide sobre la cubierta evitando acumulación de agua en su superficie que

pueda afectar negativamente el proceso de secado. Finalmente, la disminución de parte

móviles en el Prototipo 2 evita que esta función se vea afectada o limitada por el paso del

tiempo.

5.2 Conclusión del análisis comparativo.

El análisis comparativo de los Prototipos 1 y 2, inidca que el Prototipo 2 es viable

de acuerdo al análisis costo-beneficio realizado. Aunque no hubo mejoras significantes en

la eficiencia de este prototipo con respecto al Prototipo 1, se mejoró la eficiencia del

sistema completo de secado, se mejoró la constante y tiempo de secado, aumentó la

homogeneidad de secado, se redujo la cantidad de energía empleada por la cámara del

SCA, se redujo el costo y peso de la cámara de secado y debido a este último su

funcionalidad mejoró. Además, los resultados de la evaluación térmica muestran que el

sistema de secado logró operar de manera continua a lo largo de los días que duro el

secado de los moldes con un suministro de energía solar. La ventaja más destacada del

Prototipo 2 es el ahorro de energía del SCA al aprovechar la energía solar directa en las

horas del día para el proceso de secado.

92

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS CAPÍTULO 6

Capítulo 6

Conclusiones y recomendaciones

En este capítulo se presentan las conclusiones y las recomendaciones que se

esperan para futuros trabajos relacionados con este trabajo de tesis.

93


6.1 Conclusiones.

1) En este trabajo se realizó el rediseño un secador de moldes de yeso considerando

el diseño del primer prototipo que se tenía en funcionamiento en CENIDET, la

reducción de costos de fabricación y optimización y considerando el proceso de

fabricación de cerámica que se aplica en el Estado de Morelos.

2) Se propuso una metodología de evaluación de secadores por sistemas, esta

metodología permite obtener la cinética de secado, la constante de secado y el

desempeño térmico del sistema de captación solar, del sistema de calentamiento

de agua, del sistema de calentamiento de aire y del sistema de secado. Lo anterior,

con el fin de facilitar la detección de oportunidades para el mejoramiento del

desempeño del sistema de secado completo.

3) Se aplicó la metodología de evaluación de secadores al Prototipo 1, con lo que se

obtuvo una constante de secado promedio de 0.050 y un tiempo de secado de

moldes de yeso de 5.5 días para el contenido de humedad requerido por los

Ceramistas. Por otra parte, la eficiencia del sistema de captación solar fue de

0.38± 0.05 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua fue de

0.32± 0.07 en promedio, la eficiencia del calentamiento de aire en el

intercambiador fue de 0.22± 0.01 en promedio y la eficiencia de todo el sistema

fue de 0.32 0.02 en promedio. ±

4) Los resultados de la evaluación del Prototipo 1 mostraron que el desempeño del

sistema de captación afectó el desempeño del sistema completo de secado, ya que

en general su eficiencia puede estar por arriba de 0.50 (Macedo, et al., 1978) y en

la evaluación su eficiencia fue de sólo 0.38 en promedio. Sin embargo, una vez

mejorado se incrementó únicamente en un 4%.

5) Se diseñó y construyó el Prototipo 2, considerando los resultados de la evaluación

del Prototipo 1 y utilizando una metodología estructurada de diseño que consistió

en declarar la necesidad principal, funciones y restricciones principales,

condiciones de diseño y parámetros críticos, con lo cual se propusieron

94


alternativas funcionales y se analizó cada una considerando cada uno de los

puntos anteriores.

6) Se aplicó la metodología de evaluación de secadores al Prototipo 2, para ello se

realizaron pruebas para obtener la cinética de secado, homogeneidad de secado,

y para evaluar la eficiencia térmica del cada sistema del secador.

Con el análisis comparativo de los resultados de las pruebas realizadas al

Prototipo 2 respecto al Prototipo 1, se encontró que:

7) El uso de materiales y configuraciones más adecuadas permitió reducir el costo de

fabricación hasta en un 30.6% y al mismo tiempo se redujo el peso del secador en

51.8%.

8) El uso de energía solar directa mediante la cubierta semitransparente de la cámara

permitió reducir la cantidad de energía empleada del SCA para el secado hasta en

un 30%, que equivale a 112.4 MJ del SCA que no se utilizaron durante el tiempo

que tomo la prueba.

9) El uso del ducto flexible para el suministro de aire en el Prototipo 2 permitió

mayor maniobrabilidad en la mesa de vaciado y cámara de secado, teniendo un

aumentó en la homogeneidad de secado en un 46%.

10) El tiempo de secado para el contenido de humedad requerido por los Ceramistas

en el Prototipo 2 fue de 4.0 días, con lo que se mejoró el tiempo de secado en un

27.3%.

11) La k en el Prototipo 2 fue de 0.052, con lo que se tuvo un aumento en la

constante de secado de 7.8%.

12) En el Prototipo 2, la eficiencia de los sistemas de captación solar, calentamiento

de agua y calentamiento de aire no presentaron cambios significativos, sus valores

se mantuvieron dentro de la incertidumbre de medición de cada sistema. En el

caso de la eficiencia del secador completo, se tuvo un aumento de eficiencia de

5% 2%. ±

95


13) La estructura física del Prototipo 2 presenta mejores características para resistir la

degradación y para soportar la intemperie o semi-intemperie, con lo que se podría

considerar adicionalmente reducir costos de instalación en la fábrica de cerámica,

ya que para este prototipo no es necesario tener espacios techados.

6.2 Recomendaciones para trabajos futuros.

1) Utilizar un sistema de pesado que permita monitorear el decremento de peso de

todos los moldes de la cama de manera automática.

2) Automatizar el sistema de extractores con un control de tipo on-off, de tal manera

que de acuerdo a la temperatura al interior de la cámara se enciendan o apaguen.

3) Utilizar un intercambiador de calor que permita velocidades de aire arriba de 2.6

m/s, velocidad máxima alcanzada con el intercambiador de calor utilizado en los

prototipos 1 y 2, con el fin de evaluar el desempeño térmico del Prototipo 2 con

diferentes velocidades de flujo de aire.

96

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía

1. ANSI/ASHRAE 93-1986, “Method of Testing to Determine the Thermal

Performance of solar Collectors”, American Society of Heating, Refrigerating and

Air Conditioning Engineers, Atlanta, USA.

2. ANSI/ASHRAE 41.1-1986, “Standard Method for Temperature Measurement”,

American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc.,

(RA 91), USA.

3. Babalis S. J., Belessiotis V.G., 2004, “Influence of the drying conditions on the

drying constants and moisture diffusivity during the thin-layer drying of figs”,

Journal of Food Engineering, Vol. 65, págs. 449-458.

4. Baltazar M. E., Bahena J. C., Castillo R., Flores J., Perez D., 2006, “Modelling,

design and construction of a solar space conditioning system,” Proceedings of

Virtual Concept 2006, Playa del Carmen, México, págs.1-11.

5. Bennamoun L., Belhamri A., 2003, “Design and simulation of a solar dryer for

agriculture products,” Journal of Food Engineering, Vol. 59, págs. 259-266.

6. Castillo R., 2005, “Caracterización térmica de un colector solar plano para agua

de uso doméstico aplicando el anteproyecto de norma mexicana existente.”, Tesis

de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP, Cuernavaca,

Morelos.

7. Chou K., Lee T., Liu F., 1999, “Sensing mechanism of a porous ceramic as

humidity sensor”, Sensors and Actuators B, Vol. 56, págs. 106–111.

8. Flores J. J., 2006, “Secado de moldes de yeso para la industria de la cerámica”,

Informe parcial 2004-C02-040, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo

Tecnológico, Cuernavaca Morelos, págs. 1-116.

9. Florida Solar Energy Center, FSEC-GP-5-8, 2002, “Test methods and minimum

Standards for certifying solar collectors”, Florida solar energy center.

97

BIBLIOGRAFÍA

10. Fuller R. J., Charters W. S., 1997, “Performance of a solar tunnel dryer with

microcomputer control”, Solar Energy, Vol. 59, 4-6, págs. 151-154.

11. Gbaha P., Andoh H. Y., Saraka J. K., Koua B. K, Touré S., 2007, “Experimental

investigation of a solar dryer with natural convective heat flor”, Renewable

Energy, Vol. 32, págs. 1817–1829.

12. INEGI, Sistema de Cuentas Nacionales de México, Producto Interno Bruto por

entidad Federativa 1999-2004, México, Edición 2006.

13. International Standard ISO 9847, 1992, “Calibration of field pyranometers by

comparison to a reference pyranometer”, First edition, Solar Energy.

14. Karoglou M., Moropoulou A., Maroulis Z.B., and Krokida M.K., 2005, “Drying

Kinetics of Some Building Materials”, Drying Technology, Vol. 23, págs. 305–

315.

15. Kasatkin A., 1985, “Operaciones básicas y aparatos en la tecnología química”, T-I, págs. 262-366.

16. Kemp I.C., Hallas N. J., Oakley E., 2004, “Developments in aspen technology

drying software”, Proceedings of the 14th International Drying Symposium (IDS

2004), São Paulo, Brazil, Vol. B, págs. 767-774.

17. Knoule F., 1968, “El secado”, Bilbao. Ediciones Urno, pp. 50-150.

18. Leon M. A, Kumar S. and Bhattacharya S.C., 2002, “A comprehensive procedure

for performance evaluation of solar food dryers”, Renewable & Susteinable

Energy Reviews, Vol. 6, págs. 367–393.

19. Macedo I.C., Altemani A.C., 1978, “Experimental evaluation of natural

convection solar air heaters”, Solar Energy , Vol. 20, págs. 367-369.

20. Misra R., Barker A.J., East J., 2002, “Controlled drying to enhance properties of

technical ceramics”, Chemical Engineering Journal, Vol. 86, págs. 111–116.

98

BIBLIOGRAFÍA

21. Moropoulou A., Karoglou M., Giakoumaki A., Krokida M.K., Maroulis Z.B. and

Saravacos G.D., 2005, “Drying Kinetics of Some Building Materials”, Brazilian

Journal of Chemical Engineering, Vol. 22, págs. 203–208.

22. Mujumdar A.S., 2006, “Handbook of Industrial Drying”, Taylor & Francis

Group, LLC Science Publisher, Enfield, USA.

23. Olarte J. O., 2005, “Desarrollo de Código SCADES (Algoritmo de simulación

para Sistemas de Calentamiento de Agua utilizando Energía Solar)”, Tesis de

Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica, CENIDET-SEP, Cuernavaca,

Morelos.

24. Pangavhane D. R., Sawhney R.L., Sarsavadia P.N., 2002, “Design, development

and performance testing of a new natural convection solar dryer”, Energy, Vol.

27, págs. 579–590.

25. Ratti C., 1991, “Design of dryers for vegetable and fruit products”, Ph. D. Thesis,

Universidad Nacional del Sur, Bahia Blanca, Argentina.

26. Ratti C., Mujumdar A.S., 1997, “Solar Drying of Foods: Modeling and numerical

simulation”, Solar Energy, Vol. 60, págs.151-157.

27. Schlünder, 1982, “Handbook of Heat Exchange Design”, (E. U. Schlünder et al.,

Eds.), Hemisphere, New York, E. U.

28. Seyyed K., 2005, “Engineering design process”, IISME/Solectron/2005,

California, USA, pp. 1-24.

29. Subcomité de Calentadores Solares; del comité Técnico de Normalización

Nacional para Energía solar, NESO-13, Sociedad Mexicana de Normalización y

Certificación S.C, NORMEX, Centro de Investigaciones de Energía, CIE-UNAM,

Grupo Ovonics, Heliocol de México, IIC-Universidad de Guanajuato. PROY-

NMX-001-NORMEX-2005, Energía solar-Rendimiento térmico y funcionalidad

de colectores solares para calentamiento de agua- Métodos de prueba y

etiquetado, Febrero, 2005.

99

BIBLIOGRAFÍA

30. Vellhuis J. F. M. and Denissen J., 1997, “Simulation model for industrial dryers:

reduction of drying times of ceramics and saving energy”, Drying Technology,

Vol. 15, págs. 1941-1949.

31. Wallace K., Clarkson J., 1999, “An introducction to the design process”,

Cambridge university press, Cambridge, Departament of Engineering, págs. 1-

18.

32. Yamazoe N., Shimizu Y., 1986, “Humidity sensors: principles and applications”,

Sensors and Actuators, Vol. 10, págs. 379–398.

100

APÉNDICE A

Apéndice A

Procedimiento de evaluación del secador

101

APÉNDICE A

A.1 Procedimiento de prueba para la evaluación del secador.

1. Para la evaluación del secador se utilizaron moldes de tamaño mediano de 21x17.5x19 cm3.

2. Los moldes de yeso de tamaño mediano se pesan en seco, como se muestra en la Figura A.1.

Figura A.1 Pesado de moldes en seco.

3. Una vez pesados, se humedecen al 100%, sumergiéndolos en agua durante 24

horas hasta que su peso ya no aumenta, tal como se muestra en la Figura A.2.

Figura A.2 Humectación de los molde de yeso.

4. Una vez húmedos los moldes se pesan nuevamente y se colocan dentro de la

cámara de secado.

5. La prueba de secado inicia con el monitoreo de las temperaturas del sistema y

humedad relativa del aire, así como las variables meteorológicas (temperatura

ambiente, radiación global y humedad relativa).

5. Los moldes se pesan dos veces por día (a las 12:00 y a las 18:00 horas), esto con el

fin de conocer la masa de agua removida y para calcular su contenido de humedad

en el tiempo.

102

APÉNDICE A

6. La prueba de secado finaliza cuando, el contenido de humedad de los moldes en

la pesada de las 12:00 horas menos el contenido de humedad de los moldes en la

pesada de las 18:00 horas es 1%≤ , lo cual indica que estamos cerca de la

humedad de equilibrio.

7. Con las temperaturas y humedades registradas de la prueba se obtiene la cinética

de secado (k y tiempo de secado) y la eficiencia del sistema, tal y como se explica

en la Sección 2.3 de esta tesis.

103

APÉNDICE B

Apéndice B

Metodología de diseño estructurada

104

APÉNDICE B

105

APÉNDICE B

106

APÉNDICE B

107

APÉNDICE C

Apéndice C

Dibujos de taller del Prototipo 2

107

APÉNDICE C

Nombre: Vista frontal Acotación : cm

I.Q Karla María Aguilar Castro Fecha: 15 de Abril de 2008 1/3

108

APÉNDICE C

109

APÉNDICE C APÉNDICE C

110

110

APÉNDICE D

Apéndice D

Mapa de diseño de ductos circulares

111

APÉNDICE D

D.1. Mapa de fricción para ductos circulares, del ASHRAE Handbook 2005 (Figura 9).

s

La velocidad de suministro de aire considerada fu

aire suministrado se consideró de 33.18lt/s, con lo qu

130.83mm aproximadamente 5.15 pulgadas.

33.18 lt/s

2.62 m/

130.8 mm

e de 2.62m/s y la cantidad de

e se obtuvo un diámetro de

112

APÉNDICE E

Apéndice E

Cálculo de incertidumbres

113

APÉNDICE E

E. Cálculo de incertidumbre

Considerando el método presentado en Holman, 1980, la incertidumbre de la

variable R es una función de las variables independientes hasta , sí ,....,, 321 xxx nx

( )nxxxxRR ,....,, 321=

La incertidumbre de R esta dada por la siguiente expresión:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=22

22

2

11

.... nn

R xR

xR

xR ωωωω

A continuación, se muestra la aplicación de la ecuación anterior para obtener la

incertidumbre de medición para el cálculo de las eficiencias del sistema.

1) Sistema de captación solar.

( )2

1

2

1

.

2 1

t

ct

coll t

ct

m Cp T T dT

A GdTη

−

=∫

∫

se tiene,

Variable Incertidumbre

La temperatura de entrada de agua al colector promedio 41.61°C. 1T 0.5 C±

La temperatura de salida del agua al colector promedio 44.16°C. 2T 0.5 C±

El flujo másico de 0.1430kg/seg. .

cm 0.0028 kg seg±

La radiación solar global incidente de 707.1 2mW . G 27.07W

m±

Area de colección 7.964m. Ac 0.001m±

114

APÉNDICE E

1/ 2222 22 2.

2 1.coll c cm Cp T T G Aη η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥

2 1 cc

Cp T T G Am⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦

( )( )( ) ( )2 1

. 0.0028 0.00002817.964 707.1c

Cp t tm mA G

η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ c

cm ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦

2 22.. . 4182 (2.55)( )

02

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂ CpCp

ωη

( ) ( )( )( ) ( )

2.22

.

2 1 2 12 1

4182 (0.1430)( ) ( ) 0.5 0.0028193

( ) 7.964 707.1

c

c

Cp mt t t t

t t A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠− = − = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ − ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦

( )( )

( )( )( )

2. .22 2 1 .

2 2

( ) 4182 (0.1430)(2.55)7.07 0.0000007786

cCp m t tG Pη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ 7.964 707.1cG A G∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

( )

2.22 2 1. .

22

( ) 4182 0.1430 (2.55)0.001 0.000000001

7.964 707.1

c

c t

Cp m t tA A

A A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦

[ ]1 20.0000281 0 0.0028193 0.0000007786 0.000000001collωη = + + + +

0.053collωη = Redondeando 0.05collωη =

115

APÉNDICE E

2) Sistema de calentamiento de agua.

( ) ( )( )2

2 11

2

1

T

t

T Tt

SC t

ct

m Cp T t T t dt

A Gdtη

−=∫

∫

se tiene,


Diferencia de temperatura del Termotanque promedio 2.45°C ( ) ( )2 1T TT t T t− 0.5 C±

Masa en el termotanque, 0.55 kg/seg. Tm ± 0.0275kg/seg


m±


1/ 222 2 22 2

2 12 1

SC T cT c

m Cp T T G Am Cp T T G Aη η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω

⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

2 22.. .

2 1.

4180 (2.45)( ) 0.0111 0.00040747.964 707.1T T

cT

Cp t tm mA Gm

η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦

0

2

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂ CpCp

ωη

( )( ) ( )( )( ) ( )

222.

2 1 2 12 1

4180 (0.555)( ) ( ) 0.5 0.00424281

( ) 7.964 707.1T

c

Cp mt t t t

t t A Gη ω ω

⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤∂− = − = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥∂ −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

( )( )

( )( )( )

( )2. 22 .

2 12 2

( ) 4180 (0.555)(2.45)7.07 0.0001018

7.964 707.1T

c

Cp m t tG P

G A Gη ω ω

⎡ ⎤ ⎡ ⎤−∂⎡ ⎤ ⎢ ⎥= = =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦

116

APÉNDICE E

( )( )( ) ( )

( )

2.22 2 1

22

( ) 4180 0.555 (2.45)0.001 0.000000016

7.964 707.1

T

c cc c t

Cp m t tA A

A A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦

[ ]1 20.0004074 0 0.00424281 0.0001018 0.000000016SCωη = + + + +

0.068SCωη = Redondeando 0.07SCωη = 3) Sistema de calentamiento de aire.

( )2

11

2

1

t

int ambt

int t

ct

m Cp T T dt

A Gdtη

−=∫

∫

se tiene,


La temperatura ambiente del aire promedio 22.76°C. ambT 0.5 C±

La temperatura de salida del aire promedio 35.35°C. 1T 0.5 C±

El flujo másico de 0.0250kg/seg . intm 0.00125 kg seg±


m±

Área de colección 7.964m . Ac 0.001m±

1/ 2222 22 2.

1.2 1

i nt i nt amb cc

i nt

m Cp T T G ACp T T G Am

η η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎢ ⎥⎡ ⎤⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

222

.. .1

.

1005.84 (12.59)( ) 0.00124 0.000007907.964 707.1

ambi nt i nt

Cp T Tm mA G

η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥

ci ntm ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦

02

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂ CpCp

ωη

117

APÉNDICE E

( ) ( )( )( ) ( )

2.22

.

1 11

1005.84 (0.0250)( ) ( ) 0.5 0.000004932

( ) 7.964 707.1

i nt

amb ambamb c

Cp mT T T T

t t A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠− = − = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ − ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦

( )

( )( )

( )( )( )

2.22 1 .1005.84 (0.0250)(12.59)

7.07 0.000000315i nt ambCp m T T

G Pη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥2 27.964 707.1G A G⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

( )

2.22 1

22

( ) 1005.84 0.0250 (12.59)0.001 0.0000000004

7.964 707.1

i nt amb

c cc c t

Cp m T TA A

A A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦=

⎢ ⎥⎣ ⎦

[ ]1 20.0000790 0 0.00004932 0.00000313 0.00000004intωη = + + + +

0.011intωη = Redondeando 0.01intωη = 4) Sistema de secado completo.

2

lg1

2

1

( )t

rem ct

t

ct

m h T dt

A Gdtη =

∫

∫

se tiene,


Masa de agua removida 0.513kg. remm 0.01026 kg±


m±


118

APÉNDICE E

1/ 22 2 22 2.

. rem l g cl g c

rem

m Cp h G ACp h G Am

η η η η ηωη ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥= + + + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

2 22.. .

.

24000.01026 0.0001912

7.964 707.1rem rem

rem

l g

c

hm m

A Gm

η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦

2

0l gl g

hhη ω

⎡ ⎤∂=⎢ ⎥

∂⎢ ⎥⎣ ⎦

0

2

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂ CpCp

ωη

( )( )( )( )

( )

2.22 .

2 2

2400 (0.513)7.07 0.00004778

7.964 707.1

l g rem

c

h mG P

G A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦

( )( )( ) ( )

( )

2.22.

22

2400 0.5130.001 0.000000007

7.964 707.1

l g rem

cc t

h mA A

A A Gη ω ω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦

[ ]1 20.0001912 0 0.00004778 0.000000007ωη = + + +

0.015ωη = Redondeando 0.02ωη =

119

APÉNDICE F

Apéndice F

Manual de operación del Prototipo 2

120

APÉNDICE F

F.1 Manual de operación de secador solar.

Contenido Pág.

F.1.1. Introducción……………………….. 121

F.1.2 Objetivos…………………………… 121

F.1.3. Secado…………………………….. 121

F.1.4 Equipo de secado………………….. 122

F.1.5 Secador solar directo-indirecto……. 124

F.1.6 Manipulación de los moldes de yeso. 125

F.1.7. Operación del secador solar……… 125

F.1.8 Mantenimiento preventivo………... 127

F.1.1. Introducción.

En el presente manual se describe la manera en que puede ser operado el Equipo

de Secado de Moldes de Yeso para la industria cerámica alimentado con energía solar

directa e indirecta. Se pretende que los operadores conozcan el funcionamiento del

equipo de secado para que no incurran en fallas que interrumpan innecesariamente el

proceso, degraden aceleradamente la vida del equipo o sufran daños en su persona.

F.1.2 Objetivos.

• Permitir operar los equipos de manera correcta y segura.

• Reducir el número de interrupciones en el proceso de secado por fallas debidas a una

mala operación.

• Dar las habilidades para que el equipo trabaje de manera eficiente.

• Disminuir las acciones inseguras que pueden propiciar accidentes.

F.1.3. Secado.

La operación de secado convectivo es una operación de transferencia de masa

debido al contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por

121

APÉNDICE F

evaporación hacia la fase gaseosa, debido a la diferencia entre la presión de vapor

ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa.

Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y

el proceso de secado cesa.

Cuando un sólido húmedo se somete a un secado térmico, ocurren dos procesos

simultáneamente (Mujumdar, 2006):

1. Transferencia de la energía del ambiente circundante para evaporar la superficie

húmeda. En este proceso la remoción de agua como vapor de la superficie material,

depende de las condiciones externas de temperatura, humedad del aire y del flujo,

área de la superficie expuesta, y presión.

2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del sólido y su evaporación

subsecuente debido a proceso 1. En este proceso el movimiento de la humedad

interna dentro del sólido, está una función de la naturaleza física del sólido, de la

temperatura, y de su contenido de agua.

En una operación de secado, cualquiera de estos procesos puede ser un factor

limitante de la velocidad de secado, aunque ambos se presentan de manera simultánea a

través del ciclo de secado.

F.1.4 Equipo de secado.

Los dos elementos básicos de equipo de secado solar son: el sistema de colectores,

donde la radiación calienta el agua, el tanque térmico donde se almacena la energía y la

cámara de secado, donde el aire que pasa remueve la humedad del producto.

Tipo de Circulación.

El aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del

producto. Esta circulación se logra por circulación forzada.

122

APÉNDICE F

Circulación forzada:

El aire es movido por un ventilador que consume energía eléctrica. Este tipo de

circulación facilita el control del proceso de secado y la transferencia de masa. Usando

este tipo de circulación se tienen velocidades de circulación de aire de 210 m3/hr . La

principal desventaja de la circulación forzada es el hecho de que se debe disponer de una

fuente de energía eléctrica.

El uso de secadores con aire caliente y forzado acelera y controla el proceso de

secado. Los moldes de yeso se secan adecuadamente con este tipo de secadores. La

limitación física principal para el secado de moldes de yeso es la temperatura máxima a

la cual debe operar el secador para no calcinar el molde; las temperaturas recomendadas

son en el intervalo de 45 a 50ºC.

Tipo de Secador Solar.

Secador indirecto:

Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la

radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de

secado no permite la entrada de la radiación solar. Este secador es esencialmente un

secador convectivo convencional en que el sol actúa de fuente energética.

Secador solar directo:

Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la cámara que contiene el

producto también cumple la función de colector recibiendo la radiación solar.

Secador solar directo-indirecto (mixto):

Finalmente puede darse el caso en que la colección de radiación se realice tanto en

un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara.

El equipo de secado descrito en este documento es un secador solar directo-

inidirecto. En la Figura F.1 se muestra el equipo de secado.

123

APÉNDICE F

Forma de Operación.

Secado por lote:

Los moldes de yeso son colocados en la cámara en un lote de 40 moldes de yeso (de

13kg de peso en promedio húmedo), y se retiran hasta que tengan el contenido de

humedad requerido por los ceramistas para que sigan el proceso de fabricación de

cerámica. Este tipo de operación permite un diseño más sencillo del proceso de carga y

movimiento del producto dentro del equipo.

Figura F.1 Secador solar directo-indirecto

F.1.5 Secador solar directo-indirecto.

Características de la cámara de secado:

• El marco de la estructura de la cámara de 6.0x0.95m2 esta formado de ángulo de

aluminio natural 3.81x0.47cm2 reforzada en las esquinas con secciones de ángulo

de aluminio unidos con soldadura TIG de microalambre para aluminio y

reforzados con tornillos gota de acero inoxidable de 0.63x2.54cm2. Sobre el

marco están sujetas nueve costillas de solera de aluminio natural de 5.08x0.47cm2

unidas con soldadura TIG de microalambre para aluminio.

• La cámara cuenta con una cubierta semitransparente que permite de manera

adicional recibir radiación solar directa.

124

APÉNDICE F

• La cubierta de la cámara de secado es móvil, puede abrirse sobre un eje y dispone

de dos sujetadores que permiten mantener la cubierta abierta mientras se

maniobra con los moldes dentro del secador.

• La cámara cuenta con dos extractores equidistantes en la parte superior para

extraer el exceso de humedad en el interior de la cámara.

• En la cámara de secado el suministro de aire con baja humedad relativa se realizar

por un ducto flexible ubicado en la parte baja de la mesa de secado con una

velocidad de 210 m3/hr.

Características del sistema de captación de energía solar.

El sistema de captación de energía solar se diseñó con el fin de abastecer energía

para el calentamiento del aire que se utiliza para el secado. El equipo en general consta de

tres secciones principales: un sistema para el calentamiento y almacenamiento de agua;

un sistema de calentamiento de aire y el secador.

F.1.6 Manipulación de los moldes de yeso.

1) Se colocan los moldes de yeso húmedos 100% humedecidos en la cámara de

secado de la siguiente manera:

1. Se abre la cubierta de la cámara de secado, y se sostiene con los

sujetadores de los extremos.

2. Se colocan 40 moldes de yeso húmedos (medianos) divididos en dos

hileras de 20 moldes equidistantes sobre la mesa de vaciado, dejando libre

el centro de la mesa debido a que en la parte baja se encuentra el ducto de

aire que alimenta la cámara de secado.

3. Una vez colocados los moldes húmedos se vuelve cierra la cubierta de la

cámara.

F.1.7. Operación del secador solar.

Antes de iniciar el proceso de secado se realiza lo siguiente:

125

APÉNDICE F

Se colocan los moldes de yeso húmedos al 100% en la cámara de secado de la

siguiente manera:

1. Se abre la cubierta de la cámara de secado, y se sostiene con los

sujetadores de los extremos.

2. Se colocan 40 moldes de yeso húmedos (medianos) divididos en dos

hileras de 20 moldes equidistantes sobre la mesa de vaciado, dejando libre

el centro de la mesa debido a que en la parte baja se encuentra el ducto de

aire que alimenta la cámara de secado.

3. Una vez colocados los moldes húmedos se vuelve cierra la cubierta de la

cámara.

Inicio de operación

2) El equipo de secado funciona de la siguiente manera, el sistema inicia su

operación cuando la radiación solar global es mayor a 450W/m2, en ese momento

la bomba del sistema de captación solar se activa succionando agua de la parte

inferior del termotanque y bombea ese flujo de agua hacia el banco de colectores,

este flujo es regulado con el flujómetro.

3) El agua que circula por el banco de colectores se calienta y regresa por la parte

superior del termotanque donde se almacena, este proceso continua siempre que la

radiación global sea mayor a 450W/m2, en caso contrario el agua se mantiene

almacenada en el termotanque.

4) Posteriormente, la bomba del sistema de calentamiento de aire se activa y

succiona agua caliente del termotanque haciéndola circular por el intercambiador

de calor. En el intercambiador de calor, el agua proveniente del termotanque cede

energía para calentar un flujo de aire proveniente del ambiente y después regresa

al termotanque con menor temperatura.

5) El flujo de aire caliente sale del intercambiador de calor y entra a la cámara de

secado por un ducto de suministró de aire, el aire caliente sube y remueve una

cantidad de agua de los moldes, iniciando así el proceso de secado.

126

APÉNDICE F

6) El flujo de aire con el contenido de agua que removió de los moldes, sale de la

cámara de secado con ayuda de los ventiladores ubicados en la parte superior del

secador. Este ciclo de operación se repite hasta que el contenido de humedad en

el tiempo de los moldes de yeso es 1%≤ , que es cuando el proceso de secado

termina.

F.1.8 Mantenimiento preventivo

Rutina Diaria

1) Limpie la mesa de vaciado antes de cada prueba si fuera necesario.

Rutina Periódica

2) Verificar las condiciones del agua almacenada, de ser necesario purgue el

tanque térmico cada 6 meses.

3) Cada 6 meses realice una limpieza general del equipo, para eliminar posibles

incrustaciones en el intercambiador de calor y en el tanque térmico.

4) Cambiar la cubierta de polietileno de la cámara al menos una vez cada año.

NOTA: Cualquier duda, o problema no solucionado, recurra al personal deservicio técnico.

[email protected] Laboratorio de Tecnología solar

Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico Teléfono (01) 777 3 62 77 70 Ext. 199

127

centro nacional de investigación y desarrollo … karla maria... · tesis de maestrÍa en ciencias...

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