Diseño e Implementación de un Prototipo de Deshidratador Híbrido (Solar Eléctrico) e Implementación de su Sistema de Control

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E IMPLEMENTACIÓN DE SU SISTEMA DE CONTROL. ANDRÉS MAURICIO VIVEROS FOLLECO ERIKA LORENA MAYORGA CASTELLANOS. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ, COLOMBIA 2017. i.

(2) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E IMPLEMENTACIÓN DE SU SISTEMA DE CONTROL. ANDRÉS MAURICIO VIVEROS FOLLECO ERIKA LORENA MAYORGA CASTELLANOS. Monografía para optar al título de INGENIEROS ELÉCTRICOS. Director: Javier Guacaneme Moreno, PH. D. Profesor Asociado. Grupo de investigación: LIFAE. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ, COLOMBIA 2017. ii.

(3) RESUMEN La presente monografía expone el proceso necesario para la implementación de un prototipo de deshidratador híbrido de mango para el municipio de Anapoima ubicado en el departamento de Cundinamarca. En el desarrollo del prototipo se incluyen aspectos determinantes para su funcionamiento tales como la escogencia del tipo de deshidratador, dimensionamiento del mismo teniendo en cuenta aspectos propios del lugar de ubicación y la adecuada selección del método de control de temperatura y humedad. Finalmente se realiza un análisis de los datos recolectados a partir de las pruebas realizadas al prototipo con el método de control implementado. Palabras clave: Deshidratador, Temperatura, Humedad, Control.. iii.

(4) ABSTRACT The following monograph exposes the necessary process to implement a prototype of a hybrid mango de-hydrator for the Anapoima County located on the department of Cundinamarca. On the development of the prototype pretty important aspects are included for its functioning such as choosing the type of the de-hydrator, dimension of it, keeping in mind information about location and a correct temperature and humidity control method. Finally an analysis is done from the data collected on the tests made to the prototype with the control method implemented. Key words: De-hydrator, Temperature, Humidity, Control. iv.

(5) Tabla de Contenido Lista de Tablas ............................................................................................................................. vii Lista de Figuras ........................................................................................................................... viii Capítulo 1 ................................................................................................................................. - 10 1.. Introducción ................................................................................................................. - 10 1.1. Objetivos .............................................................................................................. - 11 -. 1.2. Estructura de la monografía ................................................................................. - 11 -. Capítulo 2 ................................................................................................................................. - 13 2.. Fundamentación Teórica .............................................................................................. - 13 2.1. Proceso de Deshidratación ................................................................................... - 13 -. 2.2. Tipos de Procesos de Secado ............................................................................... - 13 -. 2.3. Tipos de Secado Solar .......................................................................................... - 15 -. 2.4. Tipos de Deshidratadores Solares ........................................................................ - 18 -. Capítulo 3 ................................................................................................................................. - 23 3.. Selección del tipo de Deshidratador Solar ................................................................... - 23 3.1 Comparación tipos de secadores solares .................................................................... - 23 3.2 Ventajas del deshidratador tipo Silo .......................................................................... - 24 3.3 Variables influyentes en el proceso de secado ........................................................... - 28 -. Capítulo 4 ................................................................................................................................. - 31 4.. Diseño del deshidratador solar ..................................................................................... - 31 4.1 Parámetros para la selección del colector solar.......................................................... - 31 4.2 Dimensionamiento del área y cálculo de la inclinación del Colector Solar. .............. - 33 4.3. Selección del Método de Control ............................................................................. - 37 4.4. Selección de Elementos para el Control................................................................... - 44 4.5. Dimensionamiento del Sistema Fotovoltaico........................................................... - 51 4.6. Definición de Capacidad del Deshidratador ............................................................ - 58 -. Capítulo 5 ................................................................................................................................. - 62 5.. Pruebas ......................................................................................................................... - 62 5.1. Determinación de Tiempo de Secado ....................................................................... - 62 5.2. Acción del Sistema de Control.................................................................................. - 69 v.

(6) Capítulo 6 ................................................................................................................................. - 72 6.. Implementación............................................................................................................ - 72 6.1.. Manual de Instalación .......................................................................................... - 72 -. 6.2.. Costos de Implementación ................................................................................... - 75 -. Capítulo 7 ................................................................................................................................. - 77 7.. Trabajos futuros. .......................................................................................................... - 77 -. Capítulo 8 ................................................................................................................................. - 78 8.. Conclusiones ................................................................................................................ - 78 -. vi.

(7) Lista de Tablas Tabla 1: Comparación entre diferentes tipos de secadores solares. ..................................... - 23 Tabla 2: Valores estadísticos para cámara de secado tipo silo y tipo armario. ........................ - 26 Tabla 3: Efecto del sistema de control en el proceso de deshidratación del mango. ............... - 30 Tabla 4: Valor medio de humedad relativa para Anapoima en los meses de cosecha. ........... - 32 Tabla 5: Datos de irradiancia para Anapoima en los meses de cosecha .................................. - 32 Tabla 6: Trayectoria solar durante un año. .............................................................................. - 36 Tabla 7: Comparación entre sensores de Temperatura y Humedad. ........................................ - 45 Tabla 8: Datos mensuales de radiación diaria para meses de cosecha en Anapoima .............. - 52 Tabla 9: Datos mensuales de temperatura para meses de cosecha en Anapoima. ................... - 52 Tabla 10: Datos de potencia y tensión de las cargas necesarias para el sistema fotovoltaico.. - 53 Tabla 11: Especificaciones operativas panel solar. .................................................................. - 55 Tabla 12: Especificaciones de tensión y corriente para Regulador y Generador. .................... - 56 Tabla 13: Distancias y corrientes de tramos del sistema fotovoltaico. .................................... - 57 Tabla 14: Contenido de humedad para algunas frutas y temperatura tolerable ....................... - 66 Tabla 15: Dimensiones de muestras deshidratadas. ................................................................. - 67 Tabla 16: Dimensiones de muestras deshidratadas. ................................................................. - 68 Tabla 17: Prueba de variaciones de temperatura y humedad en el colector. ........................... - 70 Tabla 18: Resumen prueba de funcionamiento del sistema de control con primera etapa de actuación. ................................................................................................................................. - 70 Tabla 19: Resumen de datos prueba de funcionamiento del sistema de control con segunda etapa de actuación. ............................................................................................................................ - 71 Tabla 20: Proceso de Instalación deshidratador Solar ............................................................. - 75 Tabla 21: Costos de implementación total. .............................................................................. - 76 -. vii.

(8) Lista de Figuras Figura 1: Tipos de Deshidratadores Solares ............................................................................ - 16 Figura 2: Secado Solar Directo ................................................................................................ - 18 Figura 3: Deshidratador tipo Invernadero. ............................................................................... - 19 Figura 4: Deshidratador Solar tipo Gabinete. .......................................................................... - 20 Figura 5: Deshidratador tipo Armario. ..................................................................................... - 21 Figura 6: Deshidratador de Silo. .............................................................................................. - 21 Figura 7: Deshidratador con Colectores Indirectos.................................................................. - 22 Figura 8: Aplicación del principio de Arquímedes para un deshidratador Solar ..................... - 25 Figura 9: Flujo de aire en un elemento cilíndrico. ................................................................... - 25 Figura 10: Dispersión de flujo de aire caliente en elementos cilíndricos y rectangulares. ...... - 26 Figura 11: Modelo propuesto de deshidratador solar............................................................... - 27 Figura 12: Estructura sugerida para protección de elementos del circuito de control. ............ - 27 Figura 13: Acople transmisor de movimiento para compuerta. ............................................... - 28 14: Dimensiones reales del colector......................................................................................... - 34 Figura 15: Porcentaje de cosechas de mango durante el año. .................................................. - 35 Figura 16: Brillo solar para la zona de Espinal durante un año. .............................................. - 35 Figura 17: Evolución de temperatura al interior de la cámara de secado. ............................... - 37 Figura 18: Evolución de humedad al interior de la cámara de secado. .................................... - 38 Figura 19: Control con retroalimentación. ............................................................................... - 40 Figura 20: Cambio de velocidad del ventilador producido por la variable Temperatura......... - 43 Figura 21: Gráfica comparativa de error en la medida para Sensores LM35 .......................... - 45 Figura 22: Relación Humedad Relativa-Tensión para dos temperaturas en sensor HIH 4000.- 46 Figura 23: Posiciones de la compuerta de ingreso de aire. ...................................................... - 47 Figura 24: Áreas de acceso con compuerta inclinada a 45°. .................................................... - 47 Figura 25: Compuerta con posición 180°. ............................................................................... - 48 Figura 26: Circuito que realiza el control del sistema.............................................................. - 49 Figura 27: Partes que componen el circuito impreso. .............................................................. - 50 Figura 28: Características físicas y eléctricas para diferentes tipos de conductores ................ - 58 Figura 29: Comparación de pesos de mango antes y después de su corte. .............................. - 59 Figura 30: Corte superior o tapa del mango. ............................................................................ - 59 Figura 31: Corte lateral del mango .......................................................................................... - 60 Figura 32: Dimensiones de bandeja de secado ........................................................................ - 61 Figura 33: Disposición en bandejas de secado de cortes de grosor 1 centímetro para secado al aire libre. .................................................................................................................................. - 62 Figura 34: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema con convección forzada. ................................................................................................................. - 64 Figura 35: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema sin convección forzada. ................................................................................................................. - 65 Figura 36: Disposición del mango para secado en horno eléctrico. ......................................... - 67 viii.

(9) Figura 37:Cambios obtenidos en las muestras en diferentes momentos del proceso de secado- 68 Figura 38: Base y armario de elementos electrónicos deshidratador. ...................................... - 72 Figura 39: Estructura de bandejas de secado. .......................................................................... - 72 Figura 40: Colector .................................................................................................................. - 73 Figura 41: Silo.......................................................................................................................... - 73 Figura 42: Tapa de la Cámara de Secado. ................................................................................ - 73 -. ix.

(10) Capítulo 1. 1. Introducción En las economías industrializadas y en las economías emergentes, tener buenos hábitos alimenticios se está convirtiendo en tendencia mundial, esto debido a las campañas que ayudan a crear conciencia y de esta forma ayudar a disminuir los índices de obesidad que se presentan en el mundo debido a los estilos de vida agitados. Según “Global Industry Analyst, Inc. ” se vaticina que para el año 2020 habrá un aumento en el consumo de frutos deshidratados correspondiente a 4 millones de toneladas, ya que este es un mercado en expansión debido a que es saludable y a su relación directa con la mejora del estilo de vida de la población, es por esto que los frutos deshidratados son una gran oportunidad para la economía Colombiana por lo cual se hace necesario enfocar esfuerzos en la incursión del mercado colombiano en la producción de frutos deshidratados.[1] En Colombia, gracias a su localización geográfica, existe una gran variedad de climas y ecosistemas lo cual le permite tener una gran diversidad de frutas tropicales y tierras cultivables a lo largo de todo el año, no obstante, cultivos post-cosecha se pierden por distintas razones, tales como el mango, es allí donde se deben canalizar recursos para aprovechar los frutos y pensar en alternativas como el deshidratado que permiten mitigar pérdidas y dar valor agregado al producto. Existen distintos procesos para realizar la deshidratación de los productos, entre los más destacados o utilizados se encuentran el secado solar al aire libre, la liofilización, la deshidratación osmótica o el horno deshidratador. El proceso de deshidratación por secado solar al aire libre no cumple con las mínimas normas de salubridad debido a que el fruto al estar expuesto al aire libre puede adquirir impurezas que hacen que no sea apto para entrar en el mercado, la liofilización, que aunque es un proceso bastante eficiente implica un desembolso económico grande, y la deshidratación osmótica que es un proceso económico pero no muy eficiente que requiere realizar otro tipo de secado para complementarlo, por lo que se toma en consideración el horno deshidratador, el cual consiste en un horno por el cual circula un flujo de aire caliente secando el fruto y disminuyendo de esta forma la humedad del mismo; sin embargo existen diferentes formas de generar el aire caliente circundante en la cámara donde se realiza el secado; tales como gas, electricidad o el aprovechamiento de la radiación solar. [2] Por las posibilidades que puede generar para Colombia este mercado de frutos deshidratados, y en particular al departamento de Cundinamarca, siendo este uno de los principales productores de mango del país, es claro que la deshidratación ayuda a mitigar las pérdidas de los productores de mango además de generar un valor agregado al producto final. Dado que muchos productores no tienen un poder adquisitivo alto y por el costo que conlleva la adquisición de un horno deshidratador, así como los costos de operación, se propone realizar el diseño de un horno deshidratador híbrido (solar-eléctrico) prototipo que sea replicable, con el fin de disminuir los costos de operación y de adquisición del mismo. - 10 -.

(11) 1.1 Objetivos Objetivo general Realizar y evaluar el diseño de un prototipo de deshidratador híbrido así como la implementación de su sistema de control. El deshidratador debe ser replicable en el Departamento de Cundinamarca, para darle un aprovechamiento agroindustrial al mango, con el fin de generar valor agregado a los productos, ampliar la oferta y mejorar la calidad de vida de los productores. Objetivos específicos     . Recopilar información de las distintas formas de deshidratación de frutos empleados en la actualidad y determinar el método óptimo para realizar dicho proceso. Evaluar las condiciones ambientales en los que se realizará el deshidratado para de esta forma conocer el potencial de la radiación solar. Diseñar el deshidratador prototipo para el secado del mango. Determinar un método de control teniendo en cuenta las variables del proceso y selección de sensores. Implementar y poner en marcha el sistema de control del deshidratador para el secado del mango.. 1.2 Estructura de la monografía Esta monografía está distribuida en seis capítulos que muestran el desarrollo paso a paso de la metodología implementada. Como primera medida que permita realizar la implementación de un deshidratador de mango para la región de Anapoima en Cundinamarca, en el capítulo 2 se estudian los diferentes tipos de métodos utilizados para la deshidratación de frutas o plantas con el fin de entender su funcionamiento y su posibilidad de ser adaptados para mejorar la eficiencia del proceso para esta región específica. Con el propósito de realizar una adecuada selección del método de secado y tipo de deshidratador que se implementará, en el capítulo 3 se realiza una comparación entre los diferentes tipos de deshidratadores para así poder escoger aquellos con mayor eficiencia a la hora de realizar el proceso para el cual fueron diseñados. Por otra parte, se realiza un examen con un mayor detalle de las variables influyentes en el proceso, dicho análisis ayudará a determinar la mejor manera de realizar un control que permita conservar las propiedades del producto. - 11 -.

(12) Una vez escogido el tipo de deshidratador a implementar, en el capítulo 4 se realiza la parte correspondiente al diseño de las piezas más importantes y sistema de control que permitirá la correcta operación del deshidratador. Por otro lado, se elabora el diseño del sistema fotovoltaico que permitirá mejorar la eficiencia del proceso de secado y la determinación de la capacidad total de mango que se podrá procesar por ciclo de secado. En el capítulo 5 se exponen los resultados de las diferentes pruebas realizadas para determinar desempeño del prototipo de deshidratador diseñado así como los tiempos de secado del producto. Finalmente, en el capítulo 6 se efectúa la realización de un manual de instalación para que los habitantes de la zona de Anapoima puedan disponer de forma correcta el deshidratador e iniciar la puesta en servicio del mismo. Además, se elabora un presupuesto que permitirá determinar a futuro la viabilidad de la implementación del proyecto en el área de influencia.. - 12 -.

(13) Capítulo 2. 2. Fundamentación Teórica 2.1 Proceso de Deshidratación El proceso de deshidratación se define como la operación mediante la cual se elimina total o parcialmente el agua presente en una sustancia determinada. El secado es un proceso de transferencia simultánea de materia (agua) y energía (calor), por lo tanto, cuenta con una transmisión de calor que proporciona el llamado calor latente de vaporización, necesario para eliminar el agua, por otra parte, se hace necesario el transporte de agua del alimento hacia el exterior, estos procesos se llevan a cabo de manera simultánea e influyen el uno sobre el otro. [3]. 2.2 Tipos de Procesos de Secado 2.2.1 Liofilización La liofilización es un método ampliamente utilizado para realizar el secado de distintos productos con el fin de preservarlos por un tiempo prolongado, este método puede ser utilizado en distintos sectores tales como el agro o el farmacéutico. En la liofilización se congela el producto deseado alcanzando temperaturas de hasta -60°C para después reducir considerablemente la presión ambiental hasta 1 Pascal, esto con el fin de realizar el respectivo secado al producto mediante el proceso de sublimación. En pocas palabras la liofilización consiste en reducir la mayor cantidad de agua posible que hace parte del producto por medio del cambio de estado, pasando de congelado a vapor omitiendo el estado líquido. Este proceso es muy efectivo y más eficiente que la deshidratación mediante hornos, pero tiene como desventaja los altos costos de inversión y operación. [4] 2.2.2 Deshidratación Osmótica Este proceso de deshidratación consiste en sumergir el producto en una solución de agua y azúcar a un 70% de concentración, para que se origine un flujo donde la humedad que se encuentra dentro del producto se mezcle con la solución, reduciendo de esta forma el porcentaje de humedad incidente en el producto. La humedad del producto final es intermedia por lo cual se sugiere que posteriormente sean tratados mediante otros métodos de deshidratación. [5]. - 13 -.

(14) 2.2.3 Deshidratación Eléctrica/Gas En el deshidratador que utiliza energía proporcionada por electricidad y gas, funciona mediante un sistema de armario donde se localiza un motor desempeñándose como un ventilador de absorción de aire caliente, por otro lado, en la parte posterior a la estructura se encuentra otro motor que desfoga dicho aire, para trasportarlo junto con la humedad extraída de los frutos hacia el exterior. La corriente de aire creada por los motores, pasa por ventilas distribuidas en todo el compartimento interior del secador (lugar donde reposa los productos organizados en bandejas o mallas) para que el secado del producto tenga una dispersión uniforme. El aire adquiere una temperatura considerable, gracias a la acción de combustión del gas (propano), después de esto, el primer motor (ventilador) absorbe ese aire y sigue con el proceso anteriormente mencionado. Los actuales deshidratadores disponibles en el mercado tienen una capacidad en promedio de 800 Kg. 2.2.4 Deshidratación Eléctrica El sistema del deshidratador eléctrico es similar al de el secador a eléctrico /gas con la diferencia que la fuente de incremento de temperatura del aire de entrada se da por una electro resistencia. Su capacidad no es tan grande como la de los anteriores métodos, ya que se requeriría de más potencia por parte de la resistencia para cubrir tal demanda, lo que conllevaría altos precios por cada proceso de secado (costo Kwh). 2.2.5 Deshidratación Solar El secado de alimentos, se puede considerar como una de las maneras más antiguas de utilizar entre el 94% y 99% de este recurso energético. A lo largo de la historia de la humanidad, se ha utilizado la radiación solar como fuente calorífica para secar productos de naturaleza perecedera, este proceso natural sobresale entre otros métodos (congelación o esterilización), ya que en el secado, el producto mejora su sabor y sus propiedades nutricionales, lo cual conlleva al consumo habitual de estos productos en la actualidad y en consecuencia a la popularización de este método de conservación. Cabe destacar algunas de las cualidades que caracterizan al recurso solar como una fuente rentable energética:       . El sol proporciona energía constantemente, sin límite próximo alguno. La energía solar cubre toda la superficie terrestre. Dependiendo su ubicación con respecto a la latitud, la intensidad solar varía en algunos lugares más que en otros. es cuantiosa y libre de algún costo, No es contaminante, como la mayoría de las fuentes energéticas, Ninguna entidad puede acrecentar su precio, No necesita ser transportado. No puede ser acaparada. [6] - 14 -.

(15) En el proceso de secado solar, la transferencia de calor por convección es uno de los principios que contribuye con la realización del mismo, por esta razón es necesario mencionar que dicha transferencia consiste en el transporte de un considerable grado de temperatura promedio de un fluido (en este caso aire en movimiento) para otorgarlo a un cuerpo (producto), con el fin de que éste poco a poco pierda humedad al evaporarse el agua que contiene. Existen dos formas de convección: •. . Convección natural: El aire, al adquirir calor pierde peso y en su calidad de gas se expande, y por el fenómeno de flotación asciende creando corrientes de aire seco con la capacidad de extraer humedad del producto. Convección forzada: En este caso la convección cumple el mismo proceso anteriormente expuesto (convección natural), pero tiene la particularidad de presentar la inclusión de ventiladores que ayudan a que se agilice el proceso, haciéndolo más eficiente. Este tipo de convección es muy utilizada en procesos industriales, ya que dicha eficiencia es aprovechada, para procesar y obtener grandes cantidades de producto en seco en un menor tiempo comparado con la convección natural. [7]. Aprovechando el efecto de la transferencia de temperatura, donde el calor inducido dentro de un cuerpo, provoca el desplazamiento del agua contenida hacia el exterior, existen muchos mecanismos para realizar un buen desempeño del proceso de deshidratación y que además aseguran un buen desarrollo a través de elementos especialmente planteados para dicho objetivo.. 2.3 Tipos de Secado Solar Según la naturaleza e incidencia de la radiación solar en cada tipo de deshidratador, estos se pueden clasificar como se observa en la Figura 1.. - 15 -.

(16) Figura 1: Tipos de Deshidratadores Solares. 2.3.1 Secado Natural También conocido como secado al aire libre, es el procedimiento de secado más antiguo, se realiza de forma directa, sencilla y económica, para la deshidratación tanto de alimentos como de materiales que lo requieran, por lo mismo, ésta técnica es aplicada en varias partes del mundo. Su fácil implementación implica muchos factores de los cuales depende la eficiencia de aplicación, como la variabilidad del estado del tiempo y la humedad que no es posible limitar. Se puede considerar eficiente en ambientes desérticos con humedad despreciable, pero independientemente del ambiente en el que se desarrolle es vulnerable a las aguas lluvias, impurezas y la intervención de animales e insectos.. - 16 -.

(17) Existe una serie de productos de fácil secado, como los chiles, ajíes y algunas hortalizas, propios para este tipo de método de secado. El proceso de secado natural se realiza al aire libre ubicando el producto a deshidratar sobre un material con la capacidad de realizar la función de un colector de radiación solar, exponiéndolo a la acción directa de los rayos solares de modo que recibe calor y ventilación para disminuir el agua contenida .Con esta técnica la principal desventaja, es que el producto final tiene una calidad no deseada , ya que el recubrimiento del objeto a secar es nulo y no se tiene un control adecuado de la higiene del mismo. Este proceso natural posee las siguientes desventajas:   . La incidencia de humedad del medio hace que en el proceso de secado se desarrolle de una manera lenta porque el producto está literalmente expuesto. Si en el proceso no se tiene una revisión constante, existe la gran posibilidad de que el producto se descomponga o presente formación de moho. El producto está expuesto a polvo, animales, insectos que podrían deteriorarlo y provocar enfermedades en el consumidor final.. En cuanto a las ventajas en este proceso son:  Es de fácil implementación.  Ya que no se maneja una estructura como tal, es un método muy económico. [2] 2.3.2 Secado Artificial Aparte del secado natural en el espacio abierto (el cual consiste en la exposición de la materia húmeda a las corrientes naturales de aire y a los rayos solares), existe otro método de secado, el cual se basa en el tratado del producto húmedo en un deshidratador en el que una corriente de aire lo seca. El aire por lo general se calienta mediante una fuente de energía antes de que pase por el producto. La circulación del aire puede ser de forma natural o forzada. La elección del tipo de secador solar apropiado para cada caso, depende de condiciones tales como: cantidad y clase de producto que se va de secar, recursos económicos disponibles y sobretodo humedad y temperatura del medio en el que se va a desenvolver. Las ventajas que tiene el secado artificial son: • • • • •. Fácil adaptación a toda infraestructura. Proporciona al proceso una eficiencia considerable. Al tener una mayor eficiencia se tiene un mejor resultado económico con respecto a la producción. La calidad es parte del resultado del producto final. El tiempo de secado es mucho menor que en el caso de convección natural.. - 17 -.

(18) Las desventajas del secador indirecto son: •. El proceso de secado se da en intervalos de tiempo, dependiendo de la variabilidad de la radiación solar. [7]. 2.3.3 Secado Solar Directo La estructura que conforma este método de secado es de tipo cajón, en la parte superior se tiene un recubrimiento traslucido que permite el paso de la radiación solar aprovechando así su contacto directo con el producto a secar. En esta estructura también se utiliza el sistema de corriente de aire por convección natural, en donde por medio de una ranura de entrada y otra de salida se produce una corriente de aire. Aunque su capacidad de almacenamiento es poca, tiene un recubrimiento que garantiza el cuidado del producto frente a la contaminación o maltrato de cualquier factor externo, en conclusión, no tiene una eficiencia significativa pero se garantiza en cierta medida la calidad del producto final.. Figura 2: Secado Solar Directo[8]. 2.3.4 Secado Solar Indirecto Este deshidratador utiliza la energía solar para transformarla e intensificarla en calor activo o útil, por medio del efecto invernadero, este calor incrementa la temperatura del aire que se encuentra circulando por la cámara contenedora de los alimentos dispuestos en rejillas para que pase el aire. Este aire caliente interviene a los alimentos haciendo se evapore el agua que contienen.. 2.4 Tipos de Deshidratadores Solares 2.4.1 Deshidratador Tipo Invernadero Este sistema está constituido por un gran invernadero propiamente dicho. En este caso el incremento de temperatura es producido por el efecto que lleva el mismo nombre de la estructura - 18 -.

(19) (invernadero), este deshidratador es utilizado para productos de fácil secado, como algunas especias y diversidad de hojas. Uno de los beneficios de la estructura de este sistema es su fácil traslado o portabilidad. Está conformado por una estructura recubierta con un material traslucido, que permite el paso de la radiación solar y a su vez, retiene la temperatura que va llegando en su interior. Posee un ventilador, que cumple la función de generar una corriente de aire a través de la cámara de secado, lugar donde los productos a deshidratar yacen en un soporte con aberturas tipo malla, para así permitir el paso de la corriente cálida a través del cuerpo a secar. [8]. Figura 3: Deshidratador tipo Invernadero.[8]. 2.4.2. Deshidratador Solar Tipo Gabinete. Este deshidratador en forma de caja parecido al deshidratador de tipo cajón, realiza su proceso de secado por medio de la circulación del aire en su interior, este proceso se da gracias a la existencia de dos ranuras: una que cumple la función parcial de captación de aire fresco y la otra desempeña la función de salida del mismo con una temperatura y humedad elevada gracias a la intervención del colector y a la sustracción del agua del producto. En general, dado que el aire pasa por numerosos obstáculos por los cuales debe fluir, dicho movimiento será lento, llevando a que la eficiencia no sea considerablemente alta. Estos métodos tienen una capacidad limitada con respecto a la cantidad de producto (alimentos) a secar.. - 19 -.

(20) Figura 4: Deshidratador Solar tipo Gabinete.[8]. 2.4.3 Deshidratador solar de Colector y Armario Este tipo de deshidratador consta de una puerta en donde se tiene entrada libre al flujo de aire, este posteriormente se calienta por acción del colector y la radiación solar, el flujo de aire asciende y pasa a la sección de armario donde se ubican las bandejas (mallas) que contienen el producto, en la parte superior de esta sección se encuentra una ranura que es la salida del flujo de aire. Esta estructura tiene un sistema de convección natural, pero puede ser instalada o adaptada con un sistema más eficiente, con ventiladores para calentar el aire por medio de convección forzada. Uno de los componentes más importantes de este sistema es el colector; una cabina que tiene por objetivo recaudar radiación solar y convertirla en energía térmica. Lo anterior se realiza como consecuencia del efecto invernadero y teniendo en cuenta que gracias al color oscuro de su superficie, el colector absorberá la mayor parte de la radiación que incida sobre él para así elevar la temperatura en el paso de aire hacia el gabinete, en donde yace el producto. Este método suele tener la sección de cabina o gabinete de tipo traslucido, para así aprovechar la radiación que recae sobre este. Cabe mencionar que este tipo de cabina para algunos productos es de tipo cubierta o cerrada, con el fin de bloquear la incidencia de luz ultravioleta cuando dichos productos son sensibles y se pueden ver perjudicados por la radiación.. - 20 -.

(21) Figura 5: Deshidratador tipo Armario.[8] .. 2.4.4 Deshidratador de Colector y Silo Esta técnica es similar al deshidratador de gabinete; pero la principal diferencia radica en que el secador de silo tiene dimensiones que pueden contener mayor capacidad del producto en fresco en comparación con las anteriores tecnologías. En lugar de una cámara o gabinete se utiliza un compartimento cilíndrico, cuya forma ayuda a la mejor distribución de aire caliente en su interior. Al tener mayores dimensiones, se tiene mayor cantidad de producto a deshidratar, por ello se necesita mayor energía calórica para cubrir dicha cantidad, en consecuencia los colectores de radiación solar tienen dimensiones superiores, para así tener la capacidad de crear el incremento calórico requerido para la deshidratación del producto en sí. El sistema al tener mayores dimensiones, también debe manejar un flujo más alto de aire caliente, por ello se utiliza la implementación de ventiladores que aporten a dicho objetivo. A este tipo de corriente de aire se le denomina convección forzada, ya que de ser natural, se tendría como resultado una baja eficiencia debido a los numerosos obstáculos que se oponen al paso de aire.. Figura 6: Deshidratador de Silo.[8]. - 21 -.

(22) 2.4.5 Deshidratador Solar de Colector Indirecto Sistema que se caracteriza por tener los colectores solares separados de la habitación de secado, en donde la comunicación entre estos, son ductos que conducen el aire caliente desde su inicio (colectores), hasta su destino (cámara de secado donde yace el producto). El aire que transita por los ductos, es producto de la interacción de un sistema de circulación de aire forzado de gran potencia. [8]. Figura 7: Deshidratador con Colectores Indirectos [8]. - 22 -.

(23) Capítulo 3. 3. Selección del tipo de Deshidratador Solar 3.1 Comparación tipos de secadores solares La tabla 1 proporciona información de las características energéticas y físicas de diferentes sistemas de deshidratación, lo cual permite caracterizarlos de una forma más general, para así posteriormente seleccionar uno con mayor seguridad. Tm (°C):. E(khW/año). Ts (H/kg). Área (m2). Hermetización. Adaptación. Eficiencia. Secado aire libre. 40. 0. 8. Nulo. Nula. Nula. 3%. S tipo cajón. 60. 2463,75. 3. Media. S tipo invernadero. 55. 3942. 6. Baja. S Tipo armario. 60°. 1675,35. 3.4. Media. S. tipo silo. 65°. 29565. 6. Media. S. eléctrico. 65. 1478,25. 9. 0.5. Alta. S. eléctrico a gas.. 180. 1000. 3. 3.4. Alta. 60. 30000. 2. 4.65. Deshidratación por liofilización. 6 6. 5. 5. Alta. Adaptable a convección forzada Adaptable a sistema de calefacción Adaptable a convección forzada, calefacción a gas u otro combustible Adaptable a convección forzada, calefacción a gas u otro combustible Nula Nula. Nula. 50% 40%. 30%. 50%. * 12%. 97%. Tabla 1: Comparación entre diferentes tipos de secadores solares. 1. *. El dato preciso de la eficiencia de secado para un proceso realizado en deshidratador eléctrico no fue encontrado pero se considera inviable para este caso debido al alto consumo de energía que requiere para su funcionamiento.. - 23 -.

(24) Considerando las opciones disponibles para la realización de un deshidratador, se descartan las correspondientes a aquellas que presentan un mayor consumo de energía como lo son: deshidratación por liofilización, gas y eléctrica debido a que el medio donde se realizará la implementación es rural y la disponibilidad eléctrica no es del 100%, además, la intención con este proceso es aminorar gastos (costo de KwH). Por otro parte, no se realiza selección del método de deshidratación osmótica teniendo en cuenta que frecuentemente se debe completar con otros métodos de secado. Este criterio deja como alternativas a aquellas que contengan algún tipo de secado solar, en este sentido se excluyen el secado tipo invernadero, tipo cajón y secado al aire libre puesto que no garantizan la higiene adecuada del producto, en consecuencia, las alternativas disponibles son: secador tipo silo y secador tipo armario, en la siguiente sección se realizará un análisis más profundo para determinar el sistema adecuado de deshidratación. Los sistemas de deshidratado tipo silo y tipo armario, debido a que realizan su proceso con convección indirecta directamente en el colector solar, tienen un mayor contacto del aire de entrada con la radiación solar, de esta manera, la temperatura del secado aumenta proporcionando una eficiencia considerable. Estos tipos de deshidratadores garantizan que el flujo de aire que circula en su interior sea elevado (por efecto de los procesos de convección) teniendo en cuenta que la transferencia de calor se da por el movimiento de masas de aire que transporta elevados niveles de temperatura. Por medio de la intervención de dispositivos (ventiladores) la convección forzada aumenta las cantidades de aire de entrada, lo que conlleva una mejora con respecto a la transferencia de temperatura.. 3.2 Ventajas del deshidratador tipo Silo Un punto fundamental para la escogencia del modelo del deshidratador tipo silo es su forma cilíndrica que con ayuda del impulso que proporciona la persiana de ingreso al aire caliente, permite el deslizamiento de esta masa de aire sin pérdida alguna. En caso de tener presencia de esquinas, como en los otros deshidratadores ya mencionados, el aire tendría algunos obstáculos en su recorrido desde el ingreso al armario de secado, perdiendo fuerza de incidencia al producto en sí. Teniendo en cuenta el principio de Arquímedes donde se afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido, experimenta un empuje vertical y hacia arriba proporcional al peso de fluido destituido y aplicando este principio al funcionamiento del deshidratador, el aire caliente que se inyecta a la cámara de secado desde el colector tiene una densidad menor a la del aire frio que se encuentra en la cámara de secado. La diferencia de densidades se da por que la elevación de temperatura en el aire provoca interacción entre sus moléculas (energía cinética molecular o interna), lo que se traduce en una distanciación entre ellas, esto hace que exista una menor cantidad de materia por unidad de volumen, es decir, su peso disminuye y en consecuencia circulará de manera natural hacia la chimenea, la aplicación de este principio puede observarse en la figura 8. [9] - 24 -.

(25) En resumen, entre mayor sea la energía cinética del aire, este tendrá mayor temperatura y distanciación entre sus moléculas lo que conllevará a una disminución en su densidad.. Figura 8: Aplicación del principio de Arquímedes para un deshidratador Solar. El flujo de aire caliente es ascendente, el empuje de Arquímedes sumado con la fuerza horizontal del aire de ingreso y soportada por el ventilador de desfogue, hace que haya una distribución de aire caliente de forma espiral en el interior de la cámara de deshidratación, tal como se muestra en la figura 9 esta dispersión de aire es uniforme al igual que su tiempo de secado. En contraste con otros tipos de deshidratadores cuya cámara de deshidratación es de forma rectangular y poseen dispersión de aire de forma asimétrica, la principal ventaja de utilizar un sistema integrado por un silo se ve reflejada en la distribución del aire en su interior, pues no se tendrán diferenciales de temperatura tan pronunciados.. Figura 9: Flujo de aire en un elemento cilíndrico.[10]. - 25 -.

(26) En la simulación de la figura 10 se observa la uniformidad de la temperatura en cada tipo de cámara de secado; en la parte izquierda se encuentra una superficie de tipo circular como una cámara tipo silo y en la parte izquierda una superficie rectangular, similar a la cámara tipo armario. Ubicando los focos de temperatura en la parte superior central y derecha central respectivamente, se determina que la temperatura tiene mayor uniformidad en la figura circular lo que induce a que en la figura rectangular existan microclimas que pueden perjudicar el proceso de secado proporcionando un secado desigual en la masa de mango que se desea deshidratar.. Figura 10: Dispersión de flujo de aire caliente en elementos cilíndricos y rectangulares.[11][12]. Para el análisis matemático del caso, se tomaron 50 datos de temperatura en diferentes puntos para cada cámara de secado y por medio de métodos estadísticos se comprobó la dispersión de los datos al interior de cada una de ellas. Cámara de secado tipo silo Suma de cuadrados Varianza Desviación estándar Extremos 1394,587061 28,4609604 5,334881482 20,1145508 41,4540767 95% Porcentaje Cámara de secado tipo armario Suma de cuadrados Varianza Desviación estándar Extremos 3704,985882 75,6119568 8,6955136 6,93838456 41,720439 95% Porcentaje Tabla 2: Valores estadísticos para cámara de secado tipo silo y tipo armario.. - 26 -.

(27) Utilizando los valores proporcionados en la tabla 2, se muestra que para el secador de tipo silo el 95% de los datos se concentran alrededor del rango de temperaturas de 20,11°C a 41.45°C, en el caso de la cámara de secado de tipo armario, el 95% de los datos se concentran alrededor de 6.93°C y 41,72°C. Con respecto a lo anterior, se demuestra que se obtiene un mayor cubrimiento de temperatura utilizando una cámara de secado que tenga forma cilíndrica, por otra parte, otro de los beneficios que tiene la utilización de este modelo es que se reduce el número de sensores a utilizar con respecto a los necesarios para la estructura rectangular. Teniendo claras las ventajas de la utilización de este tipo de cámara de secado, como lo son la reducción en los microclimas al interior de la misma y la circulación de aire de manera natural hacia la chimenea; se propone como diseño el modelo de la figura 11, compuesto por el colector solar, silo donde se encuentra la cámara de secado, base, cajón para el almacenamiento de elementos como baterías. Además, como protección ante agentes externos del circuito que controlará el sistema de control se sugiere la estructura de la figura 12 realizada con una impresora 3D.. Figura 11: Modelo propuesto de deshidratador solar.. Figura 12: Estructura sugerida para protección de elementos del circuito de control.. - 27 -.

(28) Otro de los elementos diseñados para permitir el adecuado funcionamiento del equipo se encuentra en la figura 13, este es un acople que permitirá transmitir el movimiento realizado por el servomotor a la compuerta que regulará el ingreso de aire a la estructura.. Figura 13: Acople transmisor de movimiento para compuerta.. 3.3 Variables influyentes en el proceso de secado Para la escogencia del diseño o sistema de secado a utilizar se tienen en cuenta las tres variables influyentes en el proceso de secado: temperatura, velocidad del aire y humedad relativa. Temperatura: Magnitud de tipo escalar, relacionada con energía de naturaleza o valor calórico medido que puede tener un sistema en donde interviene transferencia o equilibrio de calor entre cuerpos de diferente o igual estado. Para el desarrollo del deshidratador es imperante tener en cuenta que entre mayor sea el valor de diferencia de temperatura entre el medio (fuente) y el producto a intervenir, mayor será la transferencia calórica al producto que en este caso es el fruto en fresco; por medio de este efecto se permite la remoción de cantidad de agua desde su interior. Cuando el medio o fuente que inyecta temperatura es el aire, éste desempeña un papel importante, ya que al tener más niveles de temperatura, proporcionalmente tendrá la capacidad de captación de agua del fruto, es decir, al tener un aire con mayor temperatura circulando dentro del deshidratador, éste será capaz de portar más agua (liberada por el fruto), esto continúa hasta que llega a un punto de saturación. La capacidad de arrastre del aire caliente varía entre un 30% - 28 -.

(29) y 50%; en otras palabras, a mayor cantidad de aire caliente incidente al producto, mayor será la capacidad de extracción de humedad. [11] Humedad Relativa: Es el porcentaje de humedad que el aire puede retener, esto es, la presencia de agua en su estado gaseoso que puede portar el aire o la atmosfera. Al ser un porcentaje este varia de 0% a 100% en donde al llegar al 100% se entiende que el aire está saturado y por ende no tiene capacidad de remoción de agua, ya que tiene su máximo contenido de vapor de agua. Al tener una humedad relativa de 0% se dice que el aire tiene la capacidad total de absorber agua convirtiéndolo así en un factor importante para deshidratar. La humedad relativa se modela matemáticamente mediante la ecuación 1. ( 1)   . Humedad Relativa. Vapor de agua existente. Vapor de agua en saturación. Cuanta menor humedad relativa tenga el aire, adquiere una notable capacidad de absorción y retención de agua. El nivel de humedad existente en el aire limitará o determinará el nivel de hidratación resultante en el producto. [11] En el proceso de deshidratación, el aire con temperatura considerable (60°C a 70°C) pasa por los frutos absorbiendo el nivel de agua que estos poseen. El agua sale en forma de vapor, lo que eleva el nivel de humedad relativa dentro de la estructura del deshidratador, de esta manera, es indispensable la remoción de esta masa gaseosa para que pueda ser renovada por otra de aire caliente con mayor capacidad de absorción, este proceso se puede realizar por convección natural o convección forzada si se desea optimizar el tiempo de secado. En el caso de no renovar el aire que ha sido saturado, éste aumentará la humedad relativa interna, ralentizando el proceso de remoción de agua del producto. Velocidad de ingreso del aire: Es la distancia recorrida por unidad de tiempo con que viaja o se transporta una masa de aire y es medida en metros sobre segundos (m/s). Este parámetro es de suma importancia ya que el choque que se da entre el la masa de aire caliente y el producto puede afectar la consistencia del mismo, por ejemplo, generando una cubierta indeseada en aquellos frutos que contiene bastante almidón, no obstante, con un control adecuado y constante de esta variable se pueden evitar dichos efectos y a su vez disminuir el tiempo de secado. En la tabla 3, se ilustra la forma en la cual el proceso se puede ver afectado dependiendo del grado de control que se ejerza sobre las variables mencionadas.. - 29 -.

(30) Variables. Temperatura Calentamiento del aire a niveles óptimos para una buena transferencia Variable de calor en pro de una pronta controlada deshidratación además de la conservación las características organolépticas del producto. Variable sin control. Humedad Relativa. Velocidad del aire. La evacuación rápida de la humedad del sistema del aire en saturación mejora el tiempo de secado.. Conserva la contextura y calidad el producto y tiene influencia en la disminución del tiempo de secado.. Ralentiza el proceso de Pérdida de las características del deshidratación ya que la producto por oxidación, así como de aglomeración de vitaminas y azúcares. humedad en el sistema, rehidrata el fruto.. Produce capas indeseadas en el producto, como también afecta la consistencia y calidad del mismo.. Tabla 3: Efecto del sistema de control en el proceso de deshidratación del mango.. - 30 -.

(31) Capítulo 4. 4. Diseño del deshidratador solar 4.1 Parámetros para la selección del colector solar El diseño del colector solar para el deshidratador a implementar se encuentra basado en el trabajo de investigación de Libardo Cartagena titulado “Caracterización de un deshidratador de mango solar ubicado en la región del alto Magdalena”. En el mismo, se sigue como referencia el standard ASHRAE 93-2003[12]. Dependiendo de algunos factores atmosféricos propios de la localización del lugar, se parametrizan las dimensiones para el área y el ángulo de inclinación del colector solar, por medio del método desarrollado por Suleyman[13], el cual radica en escoger un colector entre 4 posibles elecciones, cada uno con una eficiencia relacionada. En el caso de este tipo de deshidratador y teniendo en cuenta el standard ASHRAE 93-2003 se escoge un colector de eficiencia de 0,6 a 0,7 construido con un material corrugado. Dentro de las variables atmosféricas a considerar se encuentran: Temperatura ambiente promedio (Ta): Valor intermedio de los datos de temperatura en el medio circundante donde estará ubicado el deshidratador. En Anapoima la temperatura ambiente promedio es de 25,1°C. [14] Diferencia de temperatura en la cámara de deshidratación (∆T): Variación de temperatura dentro del deshidratador con referencia a su temperatura de salida y de entrada. De acuerdo con la potencia que el colector requiere para calentar el aire encerrado en la estructura de la cámara de secado y con referencia a los estudios de A. O. DISSA, con un promedio de 50 °C presentado entre las 9 am y las 12 pm del día se supone un valor de diferencia de temperatura (ΔT) de 13°C.[15] Humedad Relativa promedio (HR): Valor medio de los datos recolectados de humedad relativa en diferentes instantes de tiempo, en el lugar donde se situará el deshidratador. Para Anapoima los valores de humedad relativa correspondientes a los meses de cosecha se encuentran en la tabla 4.. - 31 -.

(32) Mes Valor medio de Humedad Relativa (%) Enero 58 Mayo 73 Junio 67 Julio 65 Noviembre 79 Diciembre 54 Promedio 64 Tabla 4: Valor medio de humedad relativa para Anapoima en los meses de cosecha. [14]. Radiación Solar promedio (I): Es el valor de la irradiancia promedio existente en el lugar en el intervalo de las horas sol en las cuales será utilizado el deshidratador. Para establecer el valor de la irradiancia promedio se obtuvo la radiación diaria promedio en cada mes (datos relacionados a los meses de interés), este valor dividido entre las respectivas horas de brillo solar, da como resultado la irradiancia promedio que se encuentra en la última fila de la tabla 5. Valor MAY JUN JUL NOV DIC ENE promedio Irradiacia mensual [w/ .] Horas diario. brillo. Irradiancia diaria [w/ .]. 4371,5. 4340,3. 4622,6. 4452,7. 4496,9. 4756,1. 4506,7. 4,3. 4,6. 5,1. 4,9. 5,4. 5,9. 5,033. 1016,63. 943,55. 906,38. 908,72. 832,75. 806,12. 902,36. Tabla 5: Datos de irradiancia para Anapoima en los meses de cosecha[16].. En Anapoima la irradiancia promedio es de 902,4w/. .. Eficiencia del colector propuesto (ɳ): Según el método de Suleyman, para este tipo de procesos es adecuado un colector con una eficiencia de 0,6. Calor especifico del aire (CP): Energía Calórica necesaria para que el aire cambie su temperatura en 1°C, según el estándar existente en la norma el valor de esta variable es de 1012 J/Kg°C. Masa especifica del aire (P): Es la cantidad de masa de aire por unidad de volumen, también se denomina densidad de aire, este valor varía de acuerdo a la zona de medición ya que esta depende de la presión atmosférica y la temperatura. Esta constante es de 1,3 kg/ .. - 32 -.

(33) Velocidad del aire (Va): Es la velocidad óptima que debe tener el aire para el proceso de secado sin alterar la variable de temperatura. Según el estándar ASHRAE 93-2003 es recomendable una velocidad de 3m/s. Flujo Volumétrico (q): Volumen del aire que transita en el sistema, este dato de flujo volumétrico se calcula por medio de la multiplicación entre las variables de velocidad y el área trasversal de la salida o desfogue de aire saturado como se muestra en la ecuación 2. ( 2). 0.046181 ³/. 4.2 Dimensionamiento del área y cálculo de la inclinación del Colector Solar. 4.2.1. Cálculo del área del colector Con las variables anteriores, en la ecuación 3 se calcula la potencia necesaria que el colector debe entregar para calentar el aire particular de la zona ( ). ( 3) Que a su vez se traduce en la ecuación 4: ( 4) Ahora se debe calcular la potencia real del colector utilizando la ecuación 5 ya que en este cálculo se tiene en cuenta la eficiencia del panel propuesto. Dicho procedimiento matemático se expresa de la siguiente manera: ( 5) Para la determinación del área que debe tener el colector se divide la potencia que entrega el colector entre la irradiancia promedio presente en el lugar- Ecuación 6. ( 6). Con los datos obtenidos se tienen los siguientes resultados: ³/ * 1012 J/Kg°C.* 13 °C. - 33 -.

(34) 789,824 w Cálculo para hallar el potencial real. :. 1316,37 w Área del Colector = Área del Colector =1.45 Una vez obtenida el área que deberá tener el colector se escogen los límites que tendrá en sus dimensiones para el cumplimiento del área calculada. Para ilustrar dichas dimensiones, se considera la figura 14.. 14: Dimensiones reales del colector.. 4.2.2. Cálculo de inclinación del colector Para el cálculo de la inclinación (θ ) se tienen en cuenta dos factores: . Ángulo de media inclinación ( ): Ángulo que debe tener el colector para mayor incidencia de radiación por parte del sol, esta magnitud o dato difiere dependiendo el mes en el que se va a deshidratar, por ello en este caso se tendrán en cuenta los meses de cosecha de mango obtenidos del ministerio de cultura, los cuales son Mayo, Junio, Julio, Noviembre, Diciembre y Enero.. . Latitud ( ): Este dato se refiere a la localización donde estará ubicado el deshidratador, que en este caso se refiere al municipio de Anapoima, cuya latitud es 4° 33′ 0″ Norte. - 34 -.

(35) Para determinar el ángulo de media inclinación se debe recordar que las épocas de cosechas consignadas en la figura 15 coinciden con las épocas de mayor irradiancia presente en el sector, tal como lo muestra la figura 16.. Figura 15: Porcentaje de cosechas de mango durante el año.[17]. Figura 16: Brillo solar para la zona de Espinal durante un año.[17]. En este caso, la toma de datos de radiación se hizo en el Espinal, por lo cual se pueden aplicar para el análisis de la radiación solar incidente ya que la diferencia en distancia entre estas dos zonas no es bastante alta. En la tabla 6 es posible observar el ángulo de la trayectoria solar a lo largo de un año.. - 35 -.

(36) Tabla 6: Trayectoria solar durante un año.[17]. Para el análisis se tendrán en cuenta únicamente los meses en el que se hará presente la función de deshidratador, es decir en época de cosechas de mango. Realizando el promedio de los meses de la primera época de cosecha constituida por los meses de Mayo, Junio y Julio cuyos ángulos son: 19°05, 23° 20', 21° 23' respectivamente. La segunda época de cosechas comprende los meses de Noviembre, Diciembre y Enero. En cada mes se contempla un ángulo de inclinación para mayor incidencia de radiación solar, dichos ángulos son los siguientes: -18°36', -23°19', -21°19' respectivamente. Ya que los ángulos no distan significativamente uno del otro, se realiza el promedio de cada época de cosecha: Ángulo promedio de inclinación de la primera época de cosecha = 21°16' Ángulo promedio de inclinación de la segunda época de cosecha =-20°87' La magnitud de la inclinación no es significativa por ello se hace un promedio entre los dos ángulos, para tener así una constante de inclinación. Con referencia al signo negativo que se presenta en la segunda época de cosecha, se debe orientar el colector en sentido Norte – Sur para la primera época y cambiar el sentido a Sur- Norte en la segunda época con el objetivo de tener mayor aprovechamiento de la radiación solar. El ángulo de inclinación promedio entre las dos épocas y valor definitivo para ( ) es: 21°01'. Los datos anteriores se intervienen en la expresión de la ecuación 7: θ =. −. θ = 21°01' - 4° 33′ 0″ θ =17° -32' Por lo tanto el ángulo de inclinación del colector (θ ) es 17° -32'. - 36 -. ( 7).

(37) 4.3. Selección del Método de Control Es importante aclarar que un estudio minucioso a las variables con la instrumentación pertinente, resulta ser una herramienta adecuada para pensar en metodologías mejoradas para el control multivariable en pro de la optimización del proceso, pero su uso requiere de mayor información y estudio del comportamiento del mismo. Actualmente los deshidratadores de fruta en la región (Anapoima y sus alrededores) son de tipo artesanal, por ello no hay registros de datos o curvas de secado realizados con una instrumentación idónea, además los costos que este tipo de estudios requieren son elevados. La falta de datos relacionados con curvas de secado no permite hacer una identificación del sistema, lo que hace necesario realizar la implementación de la instrumentación como primera medida que permita realizar la caracterización del mismo. En las figuras 17 y 18 se muestran datos de temperatura y humedad tomados al interior del prototipo de deshidratador en el momento de su uso, como se puede observar, estas dos variables se comportan de manera inversa y a medida que la temperatura aumenta por efecto de la circulación de aire caliente en la cámara de secado, se presenta una disminución en el porcentaje de humedad relativa. Este efecto es altamente beneficioso para el desarrollo del control.. Figura 17: Evolución de temperatura al interior de la cámara de secado.. - 37 -.

(38) Humedad al interior de la cámara de secado 60. Humedad. 50 40 30 20. 336, 20. 10 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. Tiempo Figura 18: Evolución de humedad al interior de la cámara de secado.. Los datos utilizados para la fabricación de las figuras 17 y 18 se pueden encontrar en el Anexo 6. Debido a que el parámetro que mayor afectación tiene en cuanto al tiempo de secado del producto es la humedad, se puede realizar un control que mantenga esta variable altamente vigilada y permita que la temperatura se encuentre entre un rango de 50 a 70°C. Para escoger un método adecuado de control se debe entender el comportamiento de las variables que tienen influencia en el proceso y posteriormente hallar la función de transferencia del mismo. De esta manera teniendo en cuenta la primera ley de la termodinámica que relaciona el trabajo y el calor transferido, se plantea la ecuación 8 que describe el intercambio de temperatura entre la lámina de zinc del colector con el aire que ingresa al mismo. ( 8) Donde: = Capacidad calórica. Lo anterior se puede expresar también como: ( 9) Donde: = Capacidad calórica del aire o poder calórico. Masa del aire.. = Variación de la temperatura con respecto al tiempo. Por otra parte, la ley de enfriamiento de Newton servirá para describir la transferencia de calor: - 38 -.

(39) ( 10) Donde: = Coeficiente de convección del aire. A= Área transversal de la abertura del colector. = Temperatura adquirida por el colector. = Temperatura Ambiente. Realizando el reemplazo de las ecuaciones 9 y 10 en 8: ( 11). ( 12) Realizando la transformada de Laplace se tiene: ( 13) ( 14) Finalmente, tomando como variable de entrada la capacidad calórica y como variable de salida la temperatura, se obtiene la función de transferencia del sistema: ( 15). Para realizar el control de temperatura y humedad se evalúa la instalación de dos accionamientos: una compuerta en la entrada del colector que permita regular las dos variables por medio del ángulo de giro que posee su eje en determinado momento y por otra parte, un ventilador ubicado en la chimenea del silo que permitirá desalojar la humedad producida por la evaporación del agua en el fruto y el aire con determinada temperatura. El método de control que se utiliza consta de retroalimentación (ver figura 19), cuya función es medir una variable que se desea controlar para así compararla con una referencia denominada “set point”, la diferencia entre la magnitud de la referencia y el dato medido da como resultado una magnitud respuesta que es como el sistema alimentará la variable en cuestión, para así mantenerla en los valores requeridos.. - 39 -.

(40) Figura 19: Control con retroalimentación.. Las partes que conforman este control son: Sistema: Para este caso se entenderá como sistema al conjunto conformado por el colector solar y el silo ya que son los elementos principales en los cuales se desarrolla el proceso de deshidratado de la fruta. Actuadores: Son los dispositivos encargados de recibir las órdenes del sistema de control y con respecto a ellas, realizar acciones que repercuten en el comportamiento de las variables necesarias del sistema. Sensores: Dispositivos encargados de percibir cambios en las magnitudes importantes para el desarrollo del proceso y convertir dichas mediciones en señales generalmente eléctricas con el fin de entregarlas a un procesador que determinará el comportamiento de los actuadores según sea el caso. 4.3.1. Control de la Variable Humedad Con el fin de comprobar la eficacia de los actuadores implementados y la influencia que éstos tienen en el secado adecuado del producto, se procede a la implementación de un control básico que mantenga los valores de temperatura y humedad dentro de un rango establecido. El control relacionado a la variable de humedad relativa se desempeña del siguiente modo: I.. La compuerta se mantendrá abierta si el valor detectado por parte del dispositivo medidor de humedad es el establecido, (valores inferiores a 62% HR). Este valor es estándar de la humedad relativa ambiente.. II.. Si el valor de referencia es superado, la compuerta se cerrará totalmente y el ventilador se accionará a su máxima velocidad, hasta que la humedad se restablezca a los valores de permisibles. - 40 -.

(41) En todo momento y bajo la condición de que se esté trabajando a valores de humedad inferiores a los anteriormente indicados, se tendrá una velocidad constante en el ventilador que permitirá desalojar la humedad tan pronto como se produzca. Esta velocidad será la desarrollada en la puesta en marcha del ventilador al 30% de su capacidad total. El valor determinado para el límite de humedad (62%) se establece debido a que en una visita realizada a la empresa Industrias Alimenticias la Gloria, ubicada en Manizales y quienes se dedican al proceso de deshidratación de diferentes frutas se mencionó que este proceso debe realizarse en condiciones de humedad iguales o inferiores a la humedad relativa ambiente, de esta manera, en la tabla 4 se deduce que la humedad promedio del ambiente es 64% pero para este caso se tomará el valor de 62% con el fin de realizar un control más efectivo de esta variable. 4.3.1.1. Control ON/OFF Este control tiene la particularidad de activarse a una única magnitud preestablecida para controlar la variable. Este es el sistema de control más sencillo ya que presenta dos modos de operación (encendido y apagado) en el controlador. Forma como trabaja este modo de control: ( )= 1,. ( )>62%. ( )= 2,. ( )≤62%. En la ecuación anterior, ( ) es la ya mencionada referencia o set point. 4.3.2. Control de la Variable Temperatura El control relacionado a la variable de temperatura se desempeña del siguiente modo: I.. Los rangos de temperatura deseados o ideales en el sistema oscilan entre 65° y 70°, se requiere mantener el ventilador a tal punto de que se produzca un flujo de masa de aire con una velocidad cercana a 3m/s. Este valor de velocidad permite que exista un tiempo suficiente para ganancia de temperatura cuando el aire pase por el colector.. II. Con el fin de impedir el alza de la temperatura en el interior del silo, el control tiene programados dos pasos: . La escotilla se posicionará a 45 grados con relación a su posición de cerrado en caso de superar el valor establecido de 70°C. Esto permitirá que el flujo de aire sea menor al anterior y consigo la temperatura no tendrá medio por el cual propagarse en el interior del silo.. - 41 -.

(42) . Si el incremento de temperatura sigue ascendiendo hasta superar el valor de 70°C por más de cinco minutos, la escotilla se cierra totalmente para bloquear el flujo de aire y así anular el paso de la temperatura al silo.. Los pasos mencionados anteriormente se pueden modelar como un control ON/OFF bastante similar al control de humedad. Por otra parte se debe adicionar un control proporcional que permita mantener la temperatura en un rango entre 65°C y 70°C. Este control consistirá en la variación de la velocidad del ventilador conforme se produzca un aumento o disminución de la temperatura al interior de la cámara de secado. De esta manera: . Cuando la temperatura se encuentre dentro del rango comprendido entre 65°C y 70°C se realizará un control proporcional en lazo cerrado donde se tenga en cuenta el cálculo de error y con base en este realizará una variación en la velocidad del ventilador que permita tener una temperatura constante al interior de la cámara de 65°C.. Es de suma importancia controlar el aumento de temperatura para que esta llegue a un valor máximo de 70°C, ya que de modo contrario se pierde vitamina C, características fisicoquímicas y organolépticas del producto. 4.3.2.1. Control Proporcional Este control es más complejo ya que en la programación del mismo se analiza el error y su control de la variable es proporcional al error al que va a atenuar. [18] La ecuación que describe este tipo de control se representa de la siguiente manera: .. ( 16). Donde, para este caso en particular: m = Salida del controlador e = Error (Diferencia entre set point y valor medido de temperatura) Kp= Ganancia proporcional B = Velocidad del ventilador cuando el error sea de 0. En la programación para el control de la variable de temperatura se tendrá en cuenta que existirá una velocidad establecida en todo momento en el ventilador con el fin de permitir la constante renovación de aire en la cámara de secado, proceso mediante el cual se evitará la acumulación de humedad en la misma, esta velocidad será fijada en el 30% de la velocidad máxima del ventilador, lo cual corresponde a un valor de PWM de 77. Una vez establecidos los parámetros bajo los cuales se regirá el comportamiento del sistema, se realiza una tabla (Anexo 7) que reflejará la proporcionalidad entre el aumento de temperatura y - 42 -.

(43) la variación de la velocidad de giro del ventilador para el rango de operación ideal del deshidratador (Entre 65 y 70°C). Tomando dos muestras de los datos de la tabla se procede a formar la ecuación que reflejará el control de la variable temperatura hallando como primer valor la pendiente de la recta mostrada en la figura 20. ( 17). Completando la forma de la ecuación 17 utilizando el 30% del valor total de la velocidad del ventilador cuando el error es 0 (PWM=77):. Finalmente, el código programado para la correcta actuación del prototipo se encuentra en el Anexo 8. Como parte de una explicación más completa del modo de actuar del control se encuentra el diagrama de flujo del Anexo 9.. Tasa de cambio entre Temperatura y Velocidad 120. Velocidad. 100 80 60 40 20 0 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. Temperatura Figura 20: Cambio de velocidad del ventilador producido por la variable Temperatura. - 43 -.