instituto de investigaciÓn cientÍfica y...
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO VICERRECTORADO DE POSTGRADO E
INVESTIGACIÓN INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DESARROLLO IICYD
FACULTAD DE INGENIERÍA
•• • • FORMATO PARA LA PRESENTACIÓN DE PERFIL DE:
• PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN • •
Tema: • • • "Diseño de un secador multiuso bajo • condiciones físicas y meteorológicas de la • ciudad de Riobamba" ob A eiP • Autores: • • • •
Arquímedes Haro Raúl U. Sánchez M.
• • • • • • • • • •
2011
• • • • •
ESTRUCTURA DEL PERFIL DE PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
• 1.- NOMBRE DEL PROYECTO
• "DISEÑO DE UN SECADOR SOLAR MULTIUSO BAJO CONDICIONES
• FÍSICAS Y METEOROLÓGICAS DE LA CIUDAD DE RIOBAMBA"
•
• 2.- UNIDAD ADMINISTRATIVA FINANCIERA UDAF
• INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DESARROLLO IICYD
• DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO
• 3.- LOCALIZACION GEOGRÁFICA III •
Cantón Riobamba, provincia de Chimborazo
• 4.- ANÁLISIS DE LA SITUACION ACTUAL •••
Los requerimientos de energía cada vez más grandes y la disminución de las fuentes
• tradicionales, conducen a la búsqueda de nuevas fuentes de energía, más limpias y renovables, que contribuyan a proteger el medio ambiente y aprovechar de mejor
• manera los recursos naturales, siendo una del las más importantes la energía solar que
• en nuestro país por su posición geográfica y altitud respecto al nivel del mar presenta
• muchas ventajas, además, es conocido que muchas de las fuentes convencionales
• producen graves daños a las condiciones ambientales del planeta, como es el caso del
• cambio climático.
• El diseño de secadores solares no es nuevo a latitudes medias, sin embargo en nuestro
• caso, no existe un modelo adaptado a las condiciones meteorológicas y físicas
típeño de icas de
II la ciudad de Riobamba, para que se pueda ser usado en la construcción y dis secadores solares, dado por un lado por la situación geográfica particular que presenta la
• ciudad de Riobamba y por otro la complejidad de la dinámica superficial que depende
•
• •
de factores locales y cuya teoría en su mayor parte se ha desarrollado en otras latitudes, además, hay que ser claros que la falta de investigación básica en aéreas de la
• matemática o la física no han permitido que se desarrollen este tipo de investigaciones,
II las limitaciones de desarrollo tecnológico y económico han sido otra causa para que esto no suceda y lo que es más de alguna manera la abundancia de recursos naturales en el
• país no ha permitido que se desarrollen en general las energías alternativas.
•
• Es de notar que dichos secadores permitirían a las poblaciones, especialmente más necesitadas, mejorar su productividad ya que podrían ser utilizados para actividades
• como secadores de frutas, hierbas medicinales, granos o madera en el campo, si requerir
• más que la energía solar. Para esto se pretende usar modelos matemáticos ajustados a
• las condiciones particulares de la ciudad de Riobamba, pero que podrían ser extendidos
• a otras zonas con similares características, mediante ajustes en los parámetros de
• ingreso.
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• •
• • Para validar los modelos se pretende construir un prototipo que nos permita verificar los
• resultados y ajustar el modelo diseñado. El proyecto se desarrollará en a la zona donde
• se encuentra la ciudad de Riobamba, particularmente, el mismo será desarrollado en la
• Universidad Nacional de Chimborazo, los datos meteorológicos serán tomados por la
• estación meteorológica de la Facultad de Ingeniería y los micro meteorológicos y de flujo de energía serán calculados a través de modelos matemáticos, el prototipo se
• construirá en dicho lugar y será de experimentación. • •
5.- ANTECEDENTES
• El diseño, como tema, ha jugado un papel determinante en la ciencia y la técnica. La
• reducción de los recursos energéticos en los últimos 20 años y el incremento de la
411 contaminación ambiental ha incentivado la creación de diseños más eficientes en el
• campo de las energías renovables.
• Aunque la práctica del secado con energía solar es muy antigua, los primeros trabajos,
e• fundamentalmente de carácter práctico, se reportan desde 1940. El desarrollo teórico y
• experimental del tema se observa a partir de 1960, donde, además, se aprecia el avance
• en el diseño de los secadores solares.
• En el caso de nuestro país la experiencia de diseños con uso de modelos matemáticos es
III muy escasa, aun que si se han diseñado en base a prototipos de otros países, que no
• necesariamente se ajustarían a nuestras circunstancias.
• En el proyecto de energías alternativas que se desarrollo conjuntamente con la ESPOCH
• (2008) se han desarrollado algunos diseños, con la finalidad de secar frutas, sin embargo
• no ha tenido un sustento teórico lo suficientemente sólido, así como no se ha verificado
• la eficiencia en forma rigurosa. Además, en ese proyecto se han estudiado diferentes tipos de energías alternativas creándose una base de datos meteorológicos con este fin
• muy útiles (2006). • • Al
También, en otros países como en Perú se han realizado trabajos importantes en este
• glIP
sentido, como es el caso del "Calculation and construction of a solar dryer by natural convection for drying of non-traditional medicinal plants", el cual presenta el diseño,
• cálculo y construcción de un secador solar indirecto por convección natural para el
• secado de plantas medicinales aromáticas no tradicionales o el "Diseño y evaluación de
• un secador solar para secado industrial de tomate" en el mismo sentido (2003). Además,
• se pueden tomar como referencia otros trabajos como el de "Construcción de un secador solar de frutas y verduras: una experiencia ciudadana" de México (2009), como
• "Aplicación de la energía solar al secado de chile jalapeño" (2005), entre otros como en
• Chile donde se comercializa ampliamente este tipo de productos.
Para diseñar secadores solares se han empleado métodos analíticos y numéricos, que
• utilizan metodologías complejas y extensas que deben ser utilizadas por personal de alta
• calificación. La aplicación de métodos gráficos simplifica el estudio y le proporciona
•
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•
•
dinamismo y carácter práctico, sin embargo limita la reproducción y ajuste en otras
condiciones diferentes, dificultando de esta manera la aplicación del modelo.
e • 6.- JUSTIFICACIÓN
• La aplicación de los secadores solares ha adquirido una gran importancia en el
• tratamiento de productos para acelerar la germinación, en la termoterapia de diferentes
• cultivos, para eliminar las plagas y los virus, así como para la deshidratación de los
• excedentes de las cosechas y la obtención de productos de primera necesidad, a bajo
• costo, como son los medicamentos a partir de las plantas medicinales secas.
• En general el uso de secadores solares tienen muchas ventajas por ser eficientes,
• económicamente rentables y fáciles de utilizar en varios productos con una buena
• eficiencia en el proceso, a diferencia de los secadores tradicionales se produce un ahorro
III significativo de energía y se protege el medio ambiente, también, respecto al secado natural se previene las inclemencias del tiempo como lluvias, vientos, heladas que
4• pueden echar a perder el producto. Normalmente los productos que usan este proceso
III son de mejor calidad y se tiene un ahorro significativo de tiempo respecto al secado
• natural, lo cual se puede aprovechar en nuestra provincia que tiene una tradición de
• producción de frutas, hiervas medicinales y madera.
• A pesar de las ventajas que tiene este tipo de procesos, lamentablemente en nuestro
• medio muy poco es utilizado y lo poco que se intenta aplicar usa métodos empíricos que
- •no permiten cuantificar la eficiencia del sistema, o implementar adaptaciones que
•
permitan mejorar el proceso de secado y de esta manera contribuir en la mejora de los productos que en forma natural no llegan a tener el mismo valor agregado, produciendo
• perdidas a los agricultores, que normalmente son de bajos recursos económicos y no
411 tienen acceso a este tipo de tecnología que no se logra popularizar en nuestro medio, no
• por el costo, sino más bien por falta de difusión y la poca eficiencia que han mostrado
• los diseños propuestos, dado que no han seguido un diseño riguroso según nuestras
IIII Ali condiciones físicas y meteorológicas, que al final inciden en un desarrollo económico y
• glIP social muy bajo en nuestras comunidades.
• La Universidad tiene la capacidad de desarrollar e implementar este tipo de tecnología a
IIII través de sus docentes y estudiantes, a los cuales a su vez les permite aplicar y
•
profundizar sus conocimientos, mejorando el proceso de enseñanza-aprendizaje. Además, permitirá interactuar con especialistas de otros países que colaborarán con su
III experiencia en el adecuado desarrollo del trabajo y análisis de los resultados.
III •
Particularmente, la Facultad de Ingeniería ha venido monitoreando ciertos parámetros meteorológicos en los últimos años, que pueden ser útiles para este tipo de trabajo, así
• como, cuenta con escuelas como las de eléctrica y comunicación, sistemas y
• computación, ambiental y agroindustrial, que se relacionan plenamente a con los
• requerimientos del proyecto, lo que permitirá que sus estudiantes participen en prácticas
•
• 4
•
•
II e • • •
pre-profesionales o tesis, y de igual manera los profesionales que trabajan en dichas
escuelas podrán dar servicios técnicos en las diferentes etapas del proyecto.
• • El Ecuador por su particular posición geográfica y por ser una zona de convergencia de
•corrientes marinas y aéreas, se caracteriza por tener condiciones meteorológicas
•
particulares y si a eso se añade su relieve hace que las condiciones físicas del suelo produzcan una serie de microclimas con condiciones dinámicas de la atmosfera en
• general complejas.
• •
Aunque se ha desarrollado cierta variedad de secadores solares, desde el punto de vista
constructivo estos equipos tienen similitud, ya que todos cuentan con una cámara de
e secado con un adecuado aislamiento y una superficie captadora de la energía de la
• radiación solar, pero en el caso que se propone tiene la ventaja de funcionar
• adecuadamente para el secado de volúmenes medios y bajos en forma natural con
• buenos resultados, sin necesidad de forzar la convección, por lo que no requeriría energía eléctrica ni otro tipo de energía, siendo esta una ventaja para trabajar en el .• campo, donde se podrían dar múltiples aplicaciones como las mencionadas con
• anterioridad.
II •
Para diseñar secadores solares se usan métodos que soportan fundamentalmente dos elementos, los balances de energía y el uso de modelos del comportamiento térmico del
• sistema. Los algoritmos basados en el comportamiento térmico del sistema son los más
• empleados por su facilidad y probada eficacia, y los datos se obtienen de evaluaciones
• de prototipos o mediante el análisis del comportamiento del secador, empleando un
• modelo matemático y un programa de computación, que posteriormente en otras
•
aplicaciones se puede únicamente ajustar los parámetros de ingreso y podrían aplicados, con las ventajas que esto conlleva en el diseño y construcción de los
e secadores solares.
•
• El diseño que utiliza la modelación matemática se ha empleado fundamentalmente en
•
colectores solares y no en secadores. La eficacia de este procedimiento radica en la
III simplificación del modelo, y estos se presentan en forma de ecuaciones diferenciales
• cuya solución utiliza métodos numéricos y programas de computación con elevado
• grado de complejidad, pero que dan resultados altamente eficientes y que en nuestro
• país muy poco se aplicado, dado que no existe una gran tradición matemática y los
• profesionales en esta rama son escasos.
• El proyecto propone el diseño de un modelo matemático, construcción y muestra el
la •
funcionamiento de un secador solar indirecto de convección natural, para
•demostración experimental se ha de elegir frutas, plantas medicinales y madera; para
•
ello se tomarán las medidas de las temperaturas en diferentes zonas del secador solar como: salida del colector solar, cámara de secado, se determinará la humedad relativa y
• presión en la cámara de secado en función del tiempo, se procede al pesado inicial y
• final para poder comparar las pérdidas de humedad versus el tiempo de secado.
• • • • 7. BENEFICIOS 41
•
Los beneficios de disponer de un modelo matemático de un secador solar por
• convección natural bajo las condiciones físicas y meteorológicas de la ciudad de
Riobamba, sin duda alguna son grandes ya que permitirá: • • • Tener un modelo para aplicaciones en condiciones particulares de la ciudad,
• donde se beneficiarán directamente los pobladores del cantón y de sus
41 comunidades.
• Extender dicho modelo a otras zonas con similares características, lo cual
• beneficiaria de forma indirecta a zonas similares como aquellas de la serranía
• ecuatoriana.
• • Verificar el funcionamiento del modelo a través de prototipo construido y ajustar
41 parámetros de ingreso, dándonos un modelo que podremos usar con absoluta
• confianza en las condiciones desarrolladas, permitiendo un desarrollo tecnológico y científico del equipo y los principios en que se basa su desarrollo.
• • Determinar eficiencia de funcionamiento del secador, para poder estimar en
41 tiempo y recursos la evolución del proceso de secado hasta llegar a un nivel
• óptimo.
e • Probar funcionamiento con varios elementos que normalmente se produce en la
41 zona, como son las hierbas medicinales, frutas y madera, indistinta mente, para determinar el comportamiento de estos procesos según sus particularidades, de manera que se lo pueda utilizar en la práctica, dado que nuestra provincia se
• caracteriza por tener una considerable producción de estos productos donde se
4/ puede aplicar con el fin de mejorar la competitividad de los mismos y
• preservarlos de mejor manera en el tiempo.
• • Difundir este tipo de tecnología para un uso intensivo en las comunidades del cantón y la provincia, dando charlas técnicas, cursos y seminarios locales,
• además de material de difusión que se distribuirá a las personas interesadas.
• • Conocer el comportamiento dinámico de los flujos convectivos en condiciones
41 au típicas de la zona donde se encuentra la ciudad de Riobamba y extender a otras
• W zonas similares, valorando los resultados obtenidos y comparándolo con el de
• otras latitudes.
• Poner en práctica los conocimientos que se imparten en las aulas a los
• estudiantes de la universidad, especialmente de la Facultad de Ingeniería o de
• otras universidades de la zona que se interesen.
• • Contribuir al desarrollo económico de las comunidades del cantón, provincia y
• país, mediante la aplicación de este tipo de tecnología.
• 8.- PROYECTOS RELACIONADO Y/0 COMPLEMENTARIOS
• 41 Dentro de los proyectos que se encuentran relacionados se puede mencionar:
• • "Implementación de una Estación Micrometeorológica" desarrollado en el Parque Industrial
• Riobamba con el financiamiento de la ESPOCH en, 1997 por el proponente del proyecto, en el
• 6
•
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cual se determino los parámetros micrometeorológicos bajo condiciones fisicas y
micrometeorológicas de la ciudad de Riobamba.
e
•• "Balance Energético del Cantón Riobamba" desarrollado en el cantón Riobamba con el
•
auspicio del CONESUP con la participación como investigador del proponente, donde se determino el potencial energético en el cantón incluido el potencial solar en el año 2006.
• "Proyecto Andes" en este proyecto como una de sus actividades fue la implementación de
4 calefones solares en diferentes comunidades y diseño de un secador de frutas, en el cual participo el proponente como investigador y fue financiado por el Consejo Provincial de
• Chimborazo en el año, 2009
•4
• "Red de estaciones de Meteorológicas", convenio de cooperación técnica Espoch- Inamhi, en la
cual el proponente participa como coordinador, donde se pretende juntar e intercambiar datos entre diferentes estaciones metereológicas que se encuentran instaladas en la provincia, 2011
•
• "Diseño y construcción de un secador por fluidación para desidratación del trigo" 2009 desarrollado en la Escuela Superior Politécnica del Chimborazo.
• • "Secadores solares - térmicos para granos y frutas para utilizarlo en zonas remotas" , Escuela
• Superior Politécnica del Litoral (ESPOL).
• "Diseño de un secador solar indirecto con colector plano para fruta tropical en fundación
• desarrollo integral ambiental comunitario" fundiac, Escuela de Ingeniería Química, Espoch
•• 9.- OBJETIVOS •
• OBJETIVO DE DESARROLLO
Ily • Desarrollar un trabajo técnicamente sustentado con el uso de modelos
• matemáticos que permitan optimizar el diseño de secadores solares multiuso
• bajo convección natural para condiciones típicas de la ciudad de Riobamba y
RIO pueda extenderse a otras zonas con características similares en el país.
• OBJETIVO GENERAL
•
• •
Diseñar un modelo de secador solar multiuso bajo condiciones físicas y
meteorológicas típicas de la ciudad de Riobamba
•
• OBJETIVOS ESPECIFICOS
• • • Caracterizar las condiciones meteorológicas y micro meteorológicas de la ciudad
de Riobamba.
• • Diseñar un modelo matemático para un secador solar con parámetros que se
• adapten a las condiciones típicas de la ciudad de Riobamba.
4 • Construir un prototipo de secador solar.
•
• Ajustar y verificar los resultados del modelo respecto al prototipo construido.
• 10.- METAS
• El proyecto realiza el diseño de un modelo matemático bajo condiciones meteorológicas y físicas de la ciudad de Riobamba, construcción y ajuste el funcionamiento de un
IIP secador solar indirecto de convección natural, para la demostración experimental se
• construirá un prototipo; para ello se tomarán las medidas de las temperaturas en
41P diferentes zonas del secador solar como: salida del colector solar, cámara de secado en
• 7
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•
la chimenea, se determinará la humedad relativa y presión en la cámara de secado en función del tiempo, se procede al pesado inicial y final de las plantas para poder
• comparar las pérdidas de humedad versus el tiempo de secado, así, como de parámetros
• meteorológicos externos, usando la estación meteorológica de la Universidad, para lo
• cual se plantea las siguientes etapas:
•
• • Recopilación y análisis de datos.- Recopilar información y datos que sirvan como
• base para el diseño del modelo.
• • Diseño e implementación de modelo matemático.- Diseño del modelo en un
• programa de computación por definir con el ingeniero en sistemas, miembros del
• proyecto y un asesor contratado.
• Diseño de secador.- Se construye un prototipo multiuso de convección natural
• diseñado con el modelo para verificar los resultados del mismo.
•• Ajuste de modelo. Se ajusta los parámetros del modelo de acuerdo a los resultados
se que se obtenga en el prototipo.
• • Aplicación de secador.- Se aplica para secar varios productos típicos de la zona.
• • Difusión de resultados.- Se desarrolla la difusión con el uso de varios medios.
• 11.- ACTIVIDADES • •
Primera Etapa
• Recopilación y adquisición de información bibliográfica y meteorológica, en esta etapa
III se procederá al análisis de información bibliográfica para definir el modelo a aplicar, la
• recolección y caracterización de los datos meteorológicos por horas, días, meses y años,
•
de la estación meteorológica de la universidad y de otras cercanas a disposición, con la colaboración del recurso humano, para esto se prevé una capacitación inicial del
• personal así como una visita a cuba y pasantía en chile de uno de los miembros del
• proyecto.
•
III Segunda Etapa • •
Diseño e implementación de modelo matemático a través de cálculos termodinámicos y
• de transferencia de calor basados en las variables meteorológicas como: velocidad del
•
viento, irradiación solar, flujos térmicos, latitud, humedad y temperatura del aire
(información obtenida del lugar de prueba):
• • Se realiza el balance de energía tomando en cuenta el calor absorbido, el calor útil, y
• las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas.
II • Se emplea las ecuaciones de transferencia de calor y se realiza el balance de energía
• que permite simular el comportamiento del aire dentro del colector.
•
• Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinándose el área de captación óptima y el área de paso (flujo de aire), con lo
• cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto).
•
•
• •
• •
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• Se construye un programa en computadora que simule un secador solar de
• convección natural con la asistencia técnica de un ingeniero en sistemas, el asesor y
• el grupo de trabajo.
•
• Tercera etapa
• • Diseño del prototipo de secador solar tomando en cuenta las ecuaciones previas
• realizadas para la determinación de las dimensiones, primero se diseña el colector
• solar, para la eficiencia del colector del (40 al 60) % por teoría de colectores solares planos y con los datos promedios obtenidos del lugar de instalación como son
• velocidad, radiación, temperatura ambiente y la latitud del lugar para dar la
• inclinación al colector solar, con estos datos se obtiene un área de captación y un
• área de paso promedios.
• • Cálculo y elección de las dimensiones de la cámara de secado, se toma como
• referencia la cantidad de producto a secar y el ancho del colector, similar al ancho de la cámara de secado, con la ayuda de un asesor, ingeniero civil y eléctrico o
ego electrónico, para la instalación de los equipos y construcción del prototipo. •
• Cuarta etapa
• • En esta etapa se produce una verificación y ajuste del modelo al prototipo construido,
• con la ayuda de un ingeniero en sistemas y un asesor, en este caso también se prevé
• capacitación en el uso del modelo y una pasantía para comparar en otras áreas.
• Quinta etapa •
• • Aplicación en diferentes casos con diferentes productos, como son las hierbas
• medicinales, frutas y madera que se producen típicamente en la zona.
• Sexta etapa
e •
12.- INVERSION TOTAL DEL PROYECTO
ACTIVIDAD INTERNAS IICYD (Dólares)
TOTAL (Dólares)
Recolección y Análisis de información de base 15168,80 15168,80
Diseño y construcción del modelo matemático 11968,80 11968,80
Construcción del prototipo 25507,60 25507,60
Ajuste y calibración del modelo 14481,28 14481,28
Pruebas con diferentes productos 8481,28 8481,28
Informe y difusión de resultados 10981,28 10981,28
Total 86589,04
9
• Presentación y difusión de resultados, mediante la organización de un seminario internacional, así como la publicación de folletos, trípticos y en lo posible artículos
en revistas, diarios y medios audiovisuales.
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VARIABLE Parámetros de ingreso características meteorológicas, físicas de la zona y características del secador Parámetros de salida de variables y producto resultante.
PARÁMETROS Radiación solar Temperatura Presión Humedad Viento Altitud Latitud
Temperatura Presión Humedad Flujo de energía Dimensiones secador Diferencia de masas. Densidad del producto
INDICADORES Wat/m2 °C mb
m/s m o
°C mb oda
Wat/m2
m
Kg
Kg/m3
14.- DURACION DEL PROYECTO Y VIDA UTIL
El proyecto tiene una duración de dos años, el software podrá ser utilizado en adelante en el diseño de secadores solares, el prototipo construido tiene una vida útil de funcionamiento estimada de 20 años, en la cual se podrán realizar prácticas y trabajos
de investigación.
15.- INDICADORES DE RESULTADOS ALCANZADOS: CUALITATIVOS Y
CUANTITATIVOS
16. -IMPACTO AMBIENTAL
El proyecto por sus características no produce impacto negativo sobre el ambiente, por
lo que se le puede catalogar en categoría 1.
17.- AUTOGESTION Y SOSTENIBILIDAD
El estudio permitirá extender los resultados a otros proyectos más específicos y de igual forma servirá como una herramienta didáctica para los estudiantes y profesores de la Universidad y particularmente de la Facultad de Ingeniería, lo que garantiza su
sostenibilidad en el tiempo.
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