Curso Internacional FUENTES RENOVABLES DE … · Una de las formas más eficientes y económicas...
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Profesor Sergio D. Corp Linares Grupo de Energías Renovables. CUBAENERGÍA Delegación CUBASOLAR-Habana sergio@cubaenergia.cu 537-209 6691 y 537-2062067 Universidad de Córdoba Colegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba República Argentina Octubre 13, 14 y 15 del 2009 Curso Internacional FUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
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Profesor Sergio D. Corp Linares Grupo de Energías Renovables. CUBAENERGÍA
Delegación CUBASOLAR-Habana
537-209 6691 y 537-2062067
Universidad de CórdobaColegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba
República ArgentinaOctubre 13, 14 y 15 del 2009
Curso InternacionalFUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
Secado solar
Contenidos:
Particularidades del secado con energía solar.Los secadores solares
El acondicionamiento del aire para el secado
Influencias de la recirculación y la mezcla delaire en el diseño del secador
Investigaciones y trabajos desarrollados en latemática.
Demostrar que el secado utilizando la energía solar es una aplicación sostenible que permite deshidratar productos agropecuarios e industriales basado en el desarrollo de la tecnología.
Introducción
Aspectos generales
Secadores solares
Secado
LiofilizadorSecadero natural
Estufa Eléctrica
Proceso mediante el que se disminuye la humedad de unproducto, mediante la evaporación del agua contenida en elmismo, sin alterar su composición química. Puede ser unproceso natural o artificialUna de las formas más eficientes y económicas del uso de laenergía solar lo constituye el secado
El hombre utilizó el secado natural de alimentos y plantas en lugares soleados apenas descubrió esta sencilla aplicación
Aspectos generales
Secado natural
El secado natural es método empleado para deshidratar un producto basado en el aprovechamiento de la radiación solar y el viento.
Consiste en aprovechar las condiciones ambientales, estén expuestos o no los productos a la radiación directa del sol
Carbón mineral expuesto al sol Nicaro . Cuba
Mejoras introducidas al secado natural
Utilización del producto en rejillas separado del suelo
Cubrirlo con mallas finas para evitar la contaminación y el ataque de insectos
Utilizar plataformas duras y limpias y con cubiertas móviles para proteger el producto
El secado artificial se utiliza para desecar un producto de forma controlada mediante el empleo de equipos o dispositivos
El secado por este método se apoya con fuentes adicionales de energía renovables y no renovables
Secador de plantas medicinalesCiudad escolar Camilo Cienfuegos
Secado artificial
Ventajas Desventajas
Secado Artificial
Calidad del producto superior .
Velocidad de secado mayor, menor tiempo de secado y menor costo .
Condiciones sanitarias superiores .
Menor área utilizada en el secado.
Puede utilizar automatización
Elevados costo de instalación .
Se eleva el costo de producción si consume electricidad o petróleo adicionalmente
Secado artificial
Aplicación del secado
Materiales de construcción Minerales Productos de la industria alimenticia Forrajes Especies, plantas aromáticas y medicinales Frutas, Hortalizas Viandas, arroz, café, cacao, semillas, tabaco Derivados cárnicos, pescado
Estado deseado
El progreso científico técnico en este tema se ha dirigido hacia la obtención de productos secos de mayor calidad, aspecto que se ha logrado con el uso de instalaciones y la automatización de los procesos.
Contexto Internacional
El secado solar es una alternativa barata y eficiente utilizada fundamentalmente en países de Latinoamérica
Se usa en zonas soleadas, fundamentalmente rurales con desarrollos locales medios y altos. Secador de madera de 38 m3. Nicaragua
Se han desarrollado investigaciones para el uso del aire caliente con diferentes finalidades como el tratamiento fitosanitarios empleando los calentadores de aire con energía solar.
Calentadores solares de aire
Contexto Internacional
Contexto Internacional
El tema tiene vinculación directa con prestigiosas organizaciones como la FAO ONUDI y OLADE
Red iberoamericana de secado.
Con la colaboración del Instituto de Investigación en Energía no convencional INENCO y el Programa iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el desarrollo CYTED se realizan reuniones y seminarios
Contexto Internacional
No existen producciones significativas de secadores comerciales
Países de Europa como Alemania y Portugal construyen y secadores solares de bajo costo para aplicaciones rurales
Primer contenido
Particularidades del secado con energía solar
Los secadores solares
Particularidades del secado con energía solar
En los secadores solares la fuente de energía es la radiación solar y la sustancia de trabajo es el aire .
El secado solar es una aplicación factible y demostrada ya que la temperatura de secado de muchos de los productos alimenticios, plantas, especies y otros productos útiles para el hombre se alcanzan a partir del sol
¿Porque se reduce la humedad de un producto?
Para su conservación durante períodos prolongados, hasta un valor de humedad del producto que se considera seguro su almacenamiento.
Para disminuir la actividad respiratoria de los productos y por tanto se dificulta el ataque de insectos y hongos
Mejora la germinación de los productos agrícolas antes de sembrarlos y disminuye la contaminación del producto en el campo
¿Porque se reduce la humedad de un producto?
Secado de maní
Aunque se reduzca la humedad del producto:
Se deben mantener sus propiedades
El olor, el color y el sabor
Mango finalizando el proceso de secado
Particularidades del secado con energía solar
Hoy en día una gran cantidad de los secadores utilizados en asentamientos poblacionales responden a productos alimentarios y medicinales
Para simplificar su construcción emplean un principio de operación discontinuo, eliminando de esta manera las complejidades de la mecanización.
Diseño de secadores solares
Secador del Jardín Botánico
Con algunas excepciones, no almacenan energía dado lo costoso de los sistemas eficaces de acumulación de calor
A veces se emplean bancos de resistencias eléctricas para asegurar la calidad del proceso productivo.
Diseño de secadores solares
Secador de polen
Clasificación de secadores
1. Secadores solares directos
2. Secadores solares indirectos
Desde el punto de vista constructivo, estos equipos tienen una gran similitud ya que todos cuentan con una cámara de secado que generalmente es rectangular, donde uno de sus ejes se sitúa en la dirección norte sur, buscando mayor penetración de la radiación solar sobre una superficie absorbedora
Métodos generales de diseño de secadores solares
Simulaciónde secadores
Investigación del proceso de secado
Modelos de predicción
Determinación del área del plato absorbedor y el volumen del secador
Experiencias en laevaluación
Datos iniciales para el diseño de secadores solares
Los datos necesarios para diseñar un secador.
Características del producto a secar La temperatura de secado yLa humedad inicial y final del materialTiempo de secadoInformación sobre la procedencia de los parámetros anteriores (estufas eléctricas u otro tipo de secador)
Conocimientos del proceso de secado de cada producto
Diseño de secadores solares
Teniendo en cuenta que:
El diseño de un secador solar depende de factores como, la radiación solar, la composición del producto a secar la humedad a extraer, las propiedades del aire y el tiempo de secado.
Se propuso un modelo matemático basado en :
CA es el coeficiente de cambio de aire y se define como las veces que una cantidad equivalente al volumen del secador debe pasar a través del producto. Las unidades de dicho coeficiente es 1/día solar
cámaraVVCA
•
=
Diseño de secadores solares
1
1 2 tan 30 cos30PMIN P
VCA díaAh An
•
≤
+
Límite superior del coeficiente de cambios de aireEn función del aprovechamiento del volumen del secador
( )
( )
12 cos30 11
1
P U k
U U U U
V A n e q qnCA díaq P e q P
• + − ≥− −
Modelo matemático para la determinación del volumen del secador
Límite inferior del coeficiente de cambios de aireEn función de las dimensiones del plato absorbedor
Metodología de cálculo
Cantidad de agua a extraer del producto Seleccionar el tipo de secador Determinar las propiedades psicrométricas del aire Determinar el flujo volumétrico de aire Determinar el área del plato absorbedor Determinar la potencia calorífica útil y específica
Determinar todas las dimensiones del secador Cálculo comprobatorio
Pm Cantidad de producto a secar
100i f
W Pf
W W kgaguaC m díaW −
= −
Determinación del agua a extraer en el producto
Seleccionar el tipo de secador
Se debe tener en cuenta las características del producto a secar y la comodidad de los operarios durante la operación del equipo.
Determinación de las propiedades psicrométricas del aire
El sistema de ecuaciones así como los diagramas psicrométricos son tratados en los libros de la disciplina Termodinámica Técnica.
Las propiedades del aire se pueden determinar
Haciendo uso de las ecuaciones
Empleando los diagramas psicrométricos
( )P BS BSh C t 2501 1,86t= + + ω
V
V
p0,6221 p
ω =−
V
S
pp
ϕ =
Determinación de las propiedades psicrométricas del aire húmedo
La carta psicrométrica
Representación de las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua a una presión determinada en nuestro caso para la presión atmosférica
4621 26
5,3
21,5
15,3
11,7
16
Análisis del proceso de secado en la carta psicrométrica
A
B
C
1
1- A Como resultado del proceso isoentálpico el aire se enfría de forma adiabática y esto solo es posible cuando el aire se pone en contacto con agua. Este proceso aunque difícil de lograr se da en la práctica, bajo condiciones de muy buen aislamiento de la cámara de secado
Calor KJ/kg as Proceso1-A 1-B 1-C
Sensible -25,00 -30,40 -20,20
Latente 25,00 16,02 39,68
Total 0,00 -14,38 19,48
Análisis comparativos de los tres procesos de secado
1-B Los procesos con pendientes inferiores al isoentálpico representan los procesos reales de secado.
Calor KJ/kg as Proceso1-A 1-B 1-C
Sensible -25,00 -30,40 -20,20
Latente 25,00 16,02 39,68
Total 0,00 -14,38 19,48
Análisis comparativos de los tres procesos de secado
Análisis comparativos de los tres procesos de secado
Calor KJ/kg as Proceso1-A 1-B 1-C
Sensible -25,00 -30,40 -20,20
Latente 25,00 16,02 39,68
Total 0,00 -14,38 19,48
1-C Sólo puede darse en la práctica si se calienta previamente el producto a secar, de forma tal que se logre el intercambio de calor y masa resultando que el enfriamiento del aire es menor por causa del calor que suministra el producto.
Determinar el flujo volumétrico de aire y la potencia útil del secador
Was
f e
C kgasm Sω ω
= −
( )Util p f eP mC t t kW= −
( )3
= −
W
f e
C m asV díaρ ω ω
Potencia calorífica útil específica
( ) 2util T RAD CONkWq H q q mατ= − +
2UP
U
PA mq
=
Área del plato absorbedor
Calcular todas las dimensiones del secador
Una vez seleccionado el tipo de secador se deben determinar todas sus dimensiones utilizando las relaciones trigonométricas
Secador multipropósito del Wajay
Método gráfico para el diseño de secadores solares
Frente a metodologías rigurosas y a la vez complejas asistidas por computadoras para diseñar secadores solares
La simplicidad de los métodos gráficos le proporciona dinamismo facilidad y carácter práctico
Nomograma para secadores solares
Segundo contenido
El acondicionamiento del aire para el secado
El acondicionamiento del aire para el secado
El aire es la sustancia de trabajo que provoca la evaporación del agua y antes de ser utilizado en el proceso de secado debe acondicionarse. Esto significa que:
El contenido de humedad y la humedad relativa del aire previo al secado deben tener valores relativamente bajos
El aire después del proceso de calentamiento en el secador debe alcanzar la temperatura de secado del producto
La carta psicrométrica
1ω
2ω
La carta psicrométrica
1ω
2ω
Influencias de la recirculación y la mezcla del aire en el diseño del secador
Tercer contenido
La recirculación y la mezcla del aire en el secador
Si la humedad del aire en un secador solar es excesiva se puede prolongar el período de secado afectando la calidad del producto, por eso debe lograrse que el propio secador controle la temperatura, la humedad del aire y de esta manera en principio podemos evitarnos el uso de controladores automatizados que son costosos
La recirculación y la mezcla del aire en el secador
El control térmico operacional en un secador solar se puede lograr.
• Cuando se recircula el aire
• Cuando se mezcla el aire frio que entra al secador con el aire caliente y húmedo que lo abandona
El análisis del proceso psicrométrico del aire durante el secado ha sido bien caracterizado en los secadores industriales, de manera que debe ser tratado con igual profundidad en los secadores solares.
La recirculación y la mezcla del aire en el secador
Representación gráfica de ambos procesos
Cuarto contenido
Investigaciones y trabajos desarrolladosen la temática.
Volumen 1,21m3
Temperatura del aire 65ºC
Área del plato absorbedor:
1,7 m2
Prototipo experimental de secador solar indirecto
Particularidades
Secador Solar para cristalería
Área: 2 m2
Flujo de aire:
100 m3 / hora
Temperatura del aire:
60-80 0C
Prototipo experimental de calentador solar
Particularidades
Instalación experimental de secadores solares
Estudio del secado del carbón mineral
Proyecto Guaní
Secador de Túnel de procedencia alemana
Diseños de secadores solares construidos y experimentados en Cuba desde el año 1970
Experiencias de Cubasolar con la participación de otras instituciones
Modelo experimental de secador tipo invernadero
Secado de frutabomba
Secador Solar del CIES
Secador solar de madera de Las Mil Cumbres en Pinar del Río
Secador solar de la Ciudad Escolar “Camilo Cienfuegos”
Secador solar del Jardín Botánico
Secador de tambor rotatorio
Conclusiones En la actualidad considerando el nivel alcanzado en el
Secado Solar, su importancia y aplicación deben llevarse a cabo acciones de formación de capital humano que permitan contar con especialistas que continúen las investigaciones y el desarrollo del tema.
La madera, las plantas aromáticas y medicinales, productos agrícolas para preparación de piensos, las frutas y los pescados, están entre los productos que más se han solicitado para el secado.
Conclusiones
La automatización de los procesos en el secador aun requiere de esfuerzos e investigaciones.
La determinación de la tecnología de secado de diferentes productos en los secadores solares puede considerarse un aspecto insuficiente
Actualmente existen demandas de diferentes países, para comprar secadores solares cubanos.
Conclusiones
Muchos secadores cubanos han sido diseñados y construidos sin la profesionalidad adecuada y con incumplimiento de las normas de calidad dando espacio para los detractores de la tecnología.
No obstante en estos momentos basado en las experiencias de estos 30 años, en Cuba se están construyendo secadores solares de alta calidad, tanto por su diseño como por los materiales y componentes utilizados.
