Cálculo y Construcción de un Secador Solar por Convección Natural (página 2)

Partes: 1, 2

Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por convección, utilizados en colectores solares planos.
Remplazando en la ecuación de fluido
Despejado de la ecuación de cubierta
Despejado de la ecuación de Placa
Comparando

N: Numero de cubiertas del colector
f, C, e: Constantes dependientes.

SEGUNDA ETAPA: Planteamiento de las dimensiones de la cámara de secado
Para el cálculo de las dimensiones de la cámara de secado se toman los parámetroa siguientes:
Cantidad de producto a secar
Area de paso transversal al flujo de aire caliente
Descarga manual de los productos a secar

TERCERA ETAPA: Diseño del Secador Solar
Hallados las dimensiones del secador solar indirecto mediante los análisis realizados, se procede a elaborar los planos necesarios para su construcción, haciendo uso de un programa de diseño por computador.

CUARTA ETAPA: Construcción del secador.
Los materiales empleados para la construcción del secador solar son los siguientes:
Madera Triplay, que se emplea como recubrimiento. Se eligió este material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz.
Teknopor, utilizado como aislante en determinadas zonas internas del secador.
Madera Cedro, se elige este tipo de madera por conservar sus características físicas durante su exposición al sol, comprende la parte estructural del secador.
Piedras de canto rodado (placa absorbente), estas fueron pintadas de color negro para absorber eficientemente la radiación solar.
Vidrio cristal (la cubierta), es de por sí el elemento más importante del colector.

Detalles en fotografias de la construcción del secador.
(Gp:) Detalle del ensamble
(Gp:) Detalle 3D del colector solar
(Gp:) Detalle del colector
(Gp:) Detalle de la unión colector y cámara

(Gp:) sdaasddas
(Gp:) Recubrimiento interno del colector
(Gp:) Barnizado del colector solar
(Gp:) Recubrimiento interno de la cámara
(Gp:) Detalle interno de la chimenea

Detalles en fotografias de la construcción del secador.

QUINTA ETAPA: Ensayos experimentales

Los ensayos de secado de las plantas medicinales empleando el secador solar se realizaron en Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar debido a que existe un clima cálido y seco todo el año.
Instrumentación Se instaló un termómetro en la salida del colector solar, en la cámara de secado y en la chimenea; asimismo en la cámara de secado se instaló el higrómetro. En la entrada del colector se instalo un anemómetro y un termómetro digital .
b) Periodo de estabilización térmica Después de instalados los equipos en el secador solar se espera un periodo de 40 min para el proceso de estabilización térmica, hasta que alcance la temperatura de operación.
c) Monitoreo de variables Se pesa las plantas medicinales cada 20 min. tomando simultáneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto de medición, antes de ejecutar el pesado del producto.

Instrumentos empleados en los ensayos experimentales
(Gp:) Anemómetro
(Gp:) Brújula
(Gp:) Balanza de 0.1g
(Gp:) Termómetros
(Gp:) Higrómetro digital
(Gp:) Termómetro digital

(Gp:) Vista posterior del colector
(Gp:) Termómetro en Chimenea y Cámara
(Gp:) Toma de Datos
(Gp:) Termómetro en la salida del colector

Detalles en fotografías de los ensayos experimentales

Plantas Medicinales
Coloración
Características
Verde Claro
Verde Oscuro
Verde Claro
Verde Oscuro
Crocante
Mantiene olor característico
Sensibilidad al tacto
Crocante
Mantiene olor característico
Sensibilidad al tacto
Crocante
Mantiene olor característico
Resistencia a elevadas temperaturas
Características de las plantas medicinales no tradicionales que fueron secadas en el secador solar

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales
Varíación de la humedad de las plantas medicinales respecto al tiempo de secado; el Toronjil reduce su contenido de humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y concluye el proceso de deshidratación con 18.2% de humedad. Le siguen la Muña y el Eucalipto que se inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y 17% respectivamente. La Hierba Santa es la planta medicinal que posee menor velocidad de secado.
ANALISIS DE RESULTADOS

2. Velocidad de secado
La mayor velocidad de secado la obtuvo el toronjil, seguido por la muña, después el eucalipto y finalmente es la hierba santa. Este factor es importante a tener en cuenta debido a que mide la eficiencia o productividad de secado para estas plantas medicinales, utilizando el secador y la cámara de secado construida. Si se desearía considerar la posibilidad de industrializar este proceso se tomaría otras plantas medicinales cuyas características biológicas y estructura física serían similares al Toronjil y la muña.
(Gp:) Velocidad (dM/dt)
(Gp:) Tiempo (min)

3. eficiencia térmica de secado
La mayor eficiencia de secado se logró con el toronjil, debido a que fue uno de los productos de mayor humedad inicial. Las condiciones de temperatura del día de ensayo fueron más óptimas, también las características biológicas y físicas de las hojas del toronjil (estructura venosa con gran capacidad para almacenar agua) fueron aprovechadas

(Gp:) Eficiencia (%)
(Gp:) 0
(Gp:) 10
(Gp:) 20
(Gp:) 30
(Gp:) 40
(Gp:) 50
(Gp:) 60
(Gp:) 70
(Gp:) 80
(Gp:) Eucalipto
(Gp:) Muña
(Gp:) Hierba Santa
(Gp:) Toronjil

4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del colector solar
Un mayor flujo másico y una mayor eficiencia de secado no implica que se tenga una mayor pérdida de humedad en el secado debido a que el aumento de flujo másico de aire depende de la velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la temperatura a la salida del colector solar que es la temperatura de inicio en la cámara de secado.

5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector
Se aprecia una zona en donde la eficiencia experimental del Eucalipto y la Muña son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio el mayor aprovechamiento de la energía solar y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) fueron óptimas.

6. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector
Se aprecia una zona, donde la eficiencia experimental de la Hierba Santa y Toronjil son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) no fueron los ideales.

Análisis de la Eficiencia Térmica del colector
Se comparan las dos figuras anteriores, observandose lo siguiente:

a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias experimentales fueron mayores que las simuladas.
b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en donde el secador esta en proceso de calentamiento; Zona II, en donde el colector trabajó con las mejores condiciones térmicas y la Zona III, en donde el secador se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las condiciones climáticas externas en el momento de los ensayos experimentales.

Las eficiencias simuladas con el programa creado en base a las ecuaciones de balance de energía y los fenómenos de transferencia de calor son del 50% al 60%; cuando se realizaron los cálculos experimentales se obtuvieron eficiencias en el rango de 40% a 75% esto se debe a que las condiciones climatologías variables que existía en los días de las pruebas experimentales; obteniéndose mayores eficiencias con las plantas medicinales Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120 min de empezada la prueba (1:30 p.m.).

Análisis de la Eficiencia Térmica del colector

Análisis de la Eficiencia Térmica del colector

COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Se aprecia que el mayor valor del coeficiente convectivo se obtuvo para el toronjil, demostrando de esta manera que con el toronjil se ha producido un mayor aprovechamiento de la energía calorífica.
En la tabla podemos observar los valores promedios de los coeficientes convectivos entre el fluido (aire) y la superficie de cada planta medicinal, calculados siguiendo la metodología propuesta por Tiwari donde se hallan los números de Grashof y de Prandtl

CONCLUSIONES
El proceso de diseño, construcción y de realización de los ensayos experimentales del secado indirecto de las plantas medicinales, se tiene las conclusiones siguientes:
Este proyecto demuestra que es posible desarrollar tecnología apropiada para el secado de productos agrícolas en el Perú, en este caso se realizó el proceso de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto.
El Toronjil es la planta medicinal más apropiada para las características constructivas del secador indirecto debido a su elevada eficiencia de secado y a que la velocidad de secado es mayor que en las otras plantas medicinales.

La hierba santa es la planta medicinal que no se adecua a las características constructivas del secador solar indirecto, debido a su baja eficiencia de secado y a su baja velocidad de secado en comparación con las otras plantas medicinales.
Para un mayor aprovechamiento de la energía solar por el colector solar indirecto; las pruebas experimentales se deben realizar en el intervalo de tiempo que exista mejores condiciones de la variación de temperatura; en nuestro caso de 10 a.m. á 4 p.m.).
Los coeficientes convectivos entre el aire calentado y las plantas medicinales varían en el rango de 0.55 a 1.89 W/m2ºC, siendo mayor en el caso del Toronjil y menor en el caso del eucalipto.

Muchas Gracias !
Ingeniería Mecánica de Fluidos 1er nivel
Universidad nacional Mayor de San marcos
Teléf.: 6197000 anexo 3819
Pag. Web : www.cedit-termofluidos.com
Correo: cedit@unmsm.edu.pe
Centro de Desarrollo e
Investigación en Termofluidos

Propiedades Físicas del aire húmedo
Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)

Cálculo de la densidad ? (kg / m3)

Cálculo de la viscosidad dinámica (N.s/m2)

Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)

Cálculo del coeficiente de expansión térmica ß1(K-1)

Las propiedades del aire húmedo dependen exclusivamente de la temperatura:

Análisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secado
El coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) para convección natural
puede ser determinado, según Tiwari, usando el procedimiento basado en la
obtención del número de Nusselt, Grashof y de Prandtl.
Nu: número de Nusselt.
hc: Coeficiente de transferência de calor
Kv: Conductividad térmica del aire húmedo
X: Dimensión característica de la superficie de exposición
Pr: Número de Prandtl.
Gr: Número de Grashof.
m: Viscosidad dinámica.
Ce: Calor específico.
g: Aceleración de la gravedad.
b1: Coeficiente de expansión térmica.
?: Densidad (Kg/m3)
?T: Incremento entre la temperatura del
producto y la temperatura superficial (ºC)
a: Largo de la bandeja
b: Ancho de la bandeja
Determinación de coeficientes convectivos en circulación natural

Es el requerimiento térmico para secar un producto, representa la cantidad de energía que tiene que absorber el producto para vaporizar su humedad, esto es, la energía necesaria para evaporar 1 Kg. de agua
Cálculo del calor latente de vaporización Lv (J/kg)
R: La constante de los gases ideales (8314 J/kmolK)
M: El peso molecular del agua (18.01 kg/kmol)
Ps1: constante de la ecuación (6547.1)
Ps2: constante de la ecuación (4.23)
T: La temperatura (ºC)
Tm: La temperatura media del fluido (ºC)
El número de Nusselt para convección natural se halla
en función de ambos números adimensionales
El número de Nusselt para convección natural se halla en función de ambos números adimensionales
C = Constante
n = Constante

despejamos el coeficiente de transferencia de calor
v0 = velocidad del aire superficial (m/s)
La potencia térmica es la empleada en evaporar la humedad del producto
Qe: Potencia térmica (J/sm2)
P(Tp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura del producto
P(Tsp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura superficial
Ø: Humedad relativa superficial
Calculo de la presión parcial del vapor de agua a una temperatura (T)

Cálculo de la humedad evaporada del producto mev
At: Área de la bandeja (m2)
t: tiempo (s)

Luego
Tomando logaritmo natural
N: numero de observaciones más el número de variables independientes
Es posible calcular C y n mediante las expresiones anteriormente mostradas conociendo
el área de exposición (At), la dimensión característica de la superficie de exposición
de producto (X), mediante el registro de en el tiempo de las variables (t), temperatura
del producto (Tp), temperatura superficial (Tsp), humedad relativa (ø),
perdida de peso (el valor del agua evaporada mev (kg), será la diferencia entre 2 valores
consecutivos de pérdida de peso), calculando con los datos mencionados Z, Y, X0, C0.
Lv: Calor latente de vaporización
Definiendo un parámetro auxiliar Z