Diseño e implementación de un secador híbrido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de café

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(1)Diseño e implementación de un secador hı́brido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de café. Oscar Javier De león Giraldo Proyecto de grado para optar al tı́tulo de Ingeniero Electrónico. Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de Ingenierı́as Ingenierı́a Electrónica Pereira, Colombia Julio 2018.

(2) Diseño e implementación de un secador hı́brido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de café. Por: Oscar Javier De león Giraldo Código: 1151957793. Proyecto de grado para optar al tı́tulo de Ingeniero Electrónico. Director: M.Sc. José Andrés Chaves Osorio Profesor del Programa Ingenierı́a Electrónica Ingeniero Electricista. Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de Ingenierı́as Ingenierı́a Electrónica Pereira, Colombia Julio de 2018.

(3) Nota de aceptación:. Director:. Jurado:. Julio de 2018.

(4) Agradecimientos. Son muchas las personas a las que debo agradecer por su ayuda y colaboración durante la ejecución de este proyecto y de toda mi carrera en general. Inicialmente le agradezco a mi familia quienes han sido los pilares de apoyo durante toda mi carrera brindándome confianza hacia mi mismo, porque a pesar de los múltiples problemas siempre han estado ahı́ guiándome por el camino correcto, especialmente mi madre Cenelia Giraldo Arcila y mi tı́a Leidy Diana Giraldo Arcila; a mi hermano Sergio Andres De león Giraldo, mis primos Sebastian Giraldo y Alejandro León y Noelvis Martinez, quienes estuvieron atentos en todo momento para ayudarme en la construcción del sistema. Al grupo de investigación Robótica aplicada quienes en todo momento estuvieron prestos a resolver cualquier inquietud que me resultara; gracias por el espacio prestado y por los dispositivos prestados para finiquitar el proyecto. Por último al M.Sc José Andrés Chaves Osorio quien fue él encargado de dirigir este proyecto, sin el este proyecto no se fuera realizado.. Oscar Javier De león Giraldo.

(5) Índice general 1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA . 1.2. JUSTIFICACIÓN . . . . . . . . . 1.3. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Objetivo general . . . . . . 1.3.2. Objetivos especı́ficos . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 8 8 10 11 11 11. 2. MARCO REFERENCIAL 2.1. MARCO CONCEPTUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Dimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5. Café pergamino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. MARCO TEÓRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Caracterı́sticas del café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1. Clasificación del café . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2. Usos del café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3. Factores climáticos del café . . . . . . . . . . . 2.2.1.4. Enfermedades del café . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.5. Correcto secado para el beneficio del café . . . 2.2.2. Secado del café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1. Tipos de deshidratación . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2. Factores de las condiciones de secado . . . . . 2.2.2.3. Procedimiento para estimar el correcto secado 2.2.3. Métodos de secado de café . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.1. Secado al sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.2. Secado mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.3. Secado solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12 12 12 12 12 13 14 14 14 15 16 16 17 18 18 19 20 20 21 21 22 23. 3. DESARROLLO DEL PROYECTO 3.1. DISEÑO DE LA CÁMARA DE SECADO . . . . . . . . 3.1.1. Partes de la cámara de secado . . . . . . . . . . 3.1.1.1. Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.2. Techo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.3. Sistema electrónico de inyección de aire 3.2. DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO . . . . . . 3.2.1. Descripción de la tarjeta de desarrollo Arduino . 3.2.2. Módulo de potencia para la resistencia térmica .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. 25 25 26 26 27 28 30 30 32. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. vi. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . ..

(6) 3.2.3. Módulo de potencia del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Pines de la tarjeta de desarrollo Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5. Descripción del Sensor DHT22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6. Diseño del circuito electrónico para el control de la cámara de secado . . 3.3. DISEÑO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y LA INTERFAZ DE USUARIO 3.3.1. Obtención de la función de transferencia del sistema . . . . . . . . . . . 3.3.1.1. Identificación en tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Diseño del controlador PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Diseño de Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3.1. Estructura mecánica de la caja de control . . . . . . . . . . . . 3.3.3.2. Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. PRUEBAS Y RESULTADOS. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 35 36 36 38 39 39 40 45 46 46 49 51. 5. CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS 59 5.1. CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2. FUTUROS TRABAJOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60.

(7) Índice de figuras 2.1. Diagrama de bloques de un controlador PID[1]. . . . . . 2.2. Tipos de sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Grano de café pergamino[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Partes del café[3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Tipos de café[4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Secado al sol[5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Curva de secado con el método de secado al sol[6]. . . . 2.8. Secador mecánico tipo Guardiola[7]. . . . . . . . . . . . . 2.9. Curva de secado con el método de secado mecánico[8]. 2.10. Secador solar[9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 13 13 14 15 16 21 22 22 23 24. 3.1. Diseño de la base del secador solar parabólico (autor). . . . . . . . . . . . . 3.2. Piezas de la base del secador solar parabólico (autor). . . . . . . . . . . . . . 3.3. Base completa del secador solar parabólico (autor). . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Diseño del techo del secador solar parabólico (autor). . . . . . . . . . . . . . 3.5. Techo del secador solar parabólico (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Actuadores de control sobre las variables de la cámara de secado (autor). 3.7. Sistema electrónico de inyección de aire (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Cámara de secado (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9. Tarjeta de desarrollo con microcontrolador integrado (Arduino UNO)[10]. 3.10. Pines de la tarjeta de desarrollo (Arduino UNO)[11]. . . . . . . . . . . . . . 3.11. Detector de cruces por cero (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12. Señales del detector de cruces por cero (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. Señales de los timers[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14. Módulo de potencia para la resistencia térmica (autor). . . . . . . . . . . . . 3.15. Módulo de potencial del motor (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.16. Sensor de temperatura y humedad relativa (DHT22)[13]. . . . . . . . . . . . 3.17. Esquemático del circuito electrónico (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18. Board del circuito electrónico (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.19. Respuesta de sistemas sobreamortiguados[14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.20. Respuesta de sistemas subamortiguados[14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.21. Respuesta del sistema ante una entrada escalón unitario (autor). . . . . . . 3.22. Obtención de los parámetros del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . 3.23. Respuesta obtenida con los parámetros obtenidos (autor). . . . . . . . . . . 3.24. Respuesta final del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.25. Esquema del control PID del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.26. Base de la estructura mecánica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.27. Frente de la estructura mecánica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.28. Lado izquierdo de la estructura mecánica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . 3.29. Lado derecho de la estructura mecánica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26 27 27 28 28 29 29 30 30 31 32 32 33 35 35 37 38 39 40 41 42 43 44 44 45 46 47 47 48. viii. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ..

(8) 3.30. Parte trasera de la estructura mecánica (autor). 3.31. Tapa de la estructura mecánica (autor). . . . . . . 3.32. Diseño de la estructura mecánica (autor). . . . . . 3.33. Pantalla LCD 16x2[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.34. Interfaz I2C[16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 48 48 49 49 50. 4.1. Estructura mecánica (vista frontal superior) (autor). . . . . . . . . . 4.2. Estructura mecánica (vista lateral izquierda) (autor). . . . . . . . . 4.3. Estructura mecánica (vista lateral derecha) (autor). . . . . . . . . . 4.4. Curva de secado prueba 1 (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Curva de secado prueba 2 (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Curva de secado prueba 3 (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Tiempo de secado vs masa del café (autor). . . . . . . . . . . . . . . 4.8. Notificación para revolver el café y renovar el aire (autor). . . . . . 4.9. Notificación que indica el fin del proceso (autor). . . . . . . . . . . . 4.10. Variables sensadas mostradas a través de la pantalla LCD (autor).. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 51 52 52 53 54 55 56 57 58 58.

(9) Capı́tulo 1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 1.1.. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. La producción de café normalmente se realiza de manera artesanal, es decir, al aire libre limitándose a las condiciones climáticas y al riesgo de estar en contacto con diversos insectos y/o animales domésticos, los cuales dañan el producto. Sin embargo, esta producción también se ve afectada por la aparición de diferentes enfermedades que afectan al grano de café, un mal secado del producto afecta la calidad del grano y además influye en la masa de este, por estas razones no es favorable para el caficultor ya que ocasionan perdidas económicas[17]. Para solucionar tal problema a traves de tiempo se han construido sistemas mecánicos que aseguran el secado del café en un tiempo menor, debido a que no depende de los cambios climáticos, el inconveniente de algunos de estos sistemas mecánicos es que utilizan la quema de madera, carbón o ACPM como combustible[5] para inyectar aire caliente al sistema que contiene el grano de café, todos estos materiales liberan un subproducto el cual se le impregna al fruto que está siendo secado y por ende sus propiedades son modificadas, es decir, si se realiza el secado de café mecánicamente, este se va a secar más rápido, pero la calidad del grano va a verse afectada. Por fortuna a los antiguos métodos de secado (secado artesanal y secado mecánico) se han tecnificado a traves de aplicaciones electrónicas que han permitido aumentar la velocidad del secado sin dejar de lado el rendimiento en la calidad del grano. Con esta aplicación se controla con mayor precisión el tiempo adecuado para el secado del grano de café, también que no existan riesgos de daño del producto lo cual no ocasionara perdidas económicas, estas caracterı́sticas son muy importantes para la aplicación electrónica ya que se deben cubrir las reales necesidades de los caficultores, permitiendo que el cultivo tradicional se seque en un breve tiempo incrementando la producción y la productividad en el cultivo y además que se garantice la calidad del grano para su venta. La aplicación electrónica que permitirı́a mejorar estos problemas se pueden dividir en los siguientes bloques: sistema de la entrada de aire, sistema de control de flujo de aire, sistema de obtención de datos y sistema de interfaz. El sistema de la entrada de aire consiste en un prototipo hı́brido el cual la forma de la estructura dependerá del sistema solar ya sea este de tipo domo, tipo túnel, tipo parabólico o con paneles solares y un sistema electrónico que dependerá de una resistencia térmica y un ventilador, los cuales dependiendo de la temperatura entraran a trabajar de manera independiente o las dos a la vez lo cual resultarı́a menos costoso.. 8.

(10) El sistema de control de flujo de aire es el que mantiene constante la temperatura en el interior de la cámara de secado sin posibilidades de que este varié, de esta manera se garantiza un mejor secado del producto y tener la posibilidad de secar mucho más grano de café en menos tiempo. El sistema de obtención de datos como su nombre lo dice es el que mantiene al producto en un constante monitoreo para asegurar que todo el grano tenga un secado uniforme y que a la vez tenga una constante comunicación con los demás sistemas para asegurar un producto resultante de buena calidad. El sistema de interfaz consiste en un interfaz que le muestra al usuario la temperatura y la humedad que se encuentra dentro de la cámara de secado, además permite visualizar cómo se comporta la humedad del grano con respecto al tiempo..

(11) 1.2.. JUSTIFICACIÓN. El desarrollo de este trabajo atiende una gran problemática que tienen actualmente muchos caficultores en el paı́s a causa de la baja productividad por hectárea, ya que el proceso de secado del café no es eficiente; si se realiza un rápido secado en el grano del café, este no resulta ser de una buena calidad y si se realiza un secado cauteloso cuidando las propiedades inmersas en el grano, en consecuencia, el proceso resulta ser demasiado lento. Según diversos estudios el proceso de secado de café es más complicado que el de cualquier otro grano, ya que este después de ser lavado y escurrido contiene alrededor de 55 % de humedad y es en el proceso de secado que esta humedad debe ser reducida entre el 10 % y el 12 %, debido a que es la norma vigente de la comercialización del café pergamino seco, se debe tener mucho cuidado al secar el café, puesto que durante este proceso puede ocurrir perdidas aromáticas del grano, si se emplean altas temperaturas, además puede causar deformaciones en el aspecto fı́sico, si no se tiene buenas condiciones de operación. A nivel regional en octubre del 2008 Cenicafé construyó un secador con forma parabólica y al implementarlo en distintas regiones del paı́s se tomaron resultados donde se garantizó la alta calidad del grano, además de hacerlo en un tiempo menor a 6 dı́as, debido al poco espacio que hay dentro del sistema se aprovecha casi en su totalidad el aire que ahı́ se encuentra, demostrando ası́ ser un modo eficiente para realizar el proceso de secado de café..

(12) 1.3. 1.3.1.. OBJETIVOS Objetivo general. Diseñar e implementar un secador hı́brido (electrico solar) para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de café.. 1.3.2.. Objetivos especı́ficos. Estudiar las diversas formas de secado de café y extraer las ventajas y desventajas de cada una de ellas a fin de identificar un método que facilite el proceso de secado de café. Desarrollar un sistema de control para el monitoreo electrónico de la temperatura y la humedad relativa de la cámara de secado a través de un sistema embebido. Diseñar, construir y probar un sistema mecánico a escala que permita verificar el proceso de secado de café sin degradar la calidad del grano..

(13) Capı́tulo 2. MARCO REFERENCIAL 2.1.. MARCO CONCEPTUAL. Es de mucha importancia definir algunos conceptos que se consideran claves para el desarrollo de este proyecto, como son: dimmer, humedad relativa, controladores PID, sensor y café pergamino.. 2.1.1.. Dimmer. Un dimmer es un dispositivo electrónico que sirve para regular la intensidad de alguna carga, en la domótica este dispositivo es muy utilizado, ya que permite regular la intensidad de la luz de las bombillas y ası́ colaborar con una mejora en la eficiencia energética de cualquier sistema, además de ahorro energético otra ventaja de este dispositivo es que da un mayor tiempo de vida a la carga, debido a que no se usan a su máximo potencial, haciendo que sus materiales resistan más y proporcionen una vida útil superior. Los dimmers más comunes son los manuales, es decir que para regular la intensidad de la carga se necesita de un usuario que acceda al dispositivo y que a travez de un poteniometro logre variar tal intensidad, pero también existen dimmers automáticos, que cuentan con una programación especial para su correcto funcionamiento. En este caso, cuando se ha hecho la automatización, el dimmer podrá operar de manera completamente autónoma, regulando la intensidad de la luz cuando las condiciones lo ameritan[18].. 2.1.2.. Humedad relativa. La humedad relativa o también llamada RH, es la cantidad de agua en el aire en forma de vapor comparado con la cantidad máxima de agua que puede ser mantenida a una temperatura constante, esto quiere decir que la humedad relativa se mide en unidades de porcentaje. Por ejemplo, si la humedad en algún lugar es el 50 % a una temperatura de 32°C, esto quiere decir que el aire contiene la mitad del nivel de vapor de agua que se podrı́a mantener a esa temperatura, se debe tener en cuenta que si la humedad relativa es mayor a 85 % se llega al punto de rocı́o y en ese punto es cuando el vapor se transforma en gotas de agua[19].. 2.1.3.. Controladores PID. Un controlador PID (proporcional integrativo derivativo) es un mecanismo de control genérico sobre una realimentación de bucle cerrado, ampliamente usado en la industria para el control de sistemas. El PID es un sistema al que le entra un error calculado a partir de la salida deseada menos la salida 12.

(14) obtenida y su salida es utilizada como entrada en el sistema que queremos controlar. El controlador intenta minimizar el error ajustando la entrada del sistema. En la figura 2.1 se observa cómo se organiza este controlador en un diagrama de bloques.. Figura 2.1: Diagrama de bloques de un controlador PID[1].. El controlador PID viene determinado por tres parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo. Cada uno de estos parámetros influye en mayor medida sobre alguna caracterı́stica de la salida (tiempo de establecimiento, sobreoscilación, máximo sobreimpulso) pero también influye sobre las demás, esto quiere decir que, aunque el ajuste sea perfecto todas estas caracterı́sticas a la salida no serán iguales a cero, ası́ que el fin es ajustarlo a un termino que cumplá con las especificaciones requeridas por el sitema[20].. 2.1.4.. Sensor. Un sensor es un dispositivo electrónico que es capaz de detectar magnitudes fı́sicas y transformarlas en magnitudes eléctricas. Hay diversos tipos de sensores como por ejemplo de: temperatura, humedad, posición lineal y angular, desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, presión, caudal, sonido etc. En la figura 2.2 se puede visualizar los diferentes tipos de sensores[21].. (a) Humedad[22].. (b) Temperatura[23].. (c) Velocidad[24].. (e) Aceleración[26].. (f) Presión[27].. (g) Fuerza[28].. Figura 2.2: Tipos de sensores.. (d) Distancia[25].. (h) Caudal[29]..

(15) Existen sensores analógicos y digitales, los analógicos son aquellos que al variar la magnitud fı́sica a la cual son sensibles, varı́an la amplitud en tensión, mientras que los sensores digitales varı́an el número de bits, únicamente envı́a un tren de pulsos con 5V de valor pico.. 2.1.5.. Café pergamino. Se le conoce café pergamino a aquel café que ya paso por el proceso de secado de manera satisfactoria (grano cubierto por una cáscara protectora conocida como cascarilla). En la figura 2.3 se puede observar el grano de café[30].. Figura 2.3: Grano de café pergamino[2].. 2.2.. MARCO TEÓRICO. 2.2.1.. Caracterı́sticas del café. Lo que caracteriza a un buen café es el aroma, el cuerpo, el sabor y su acidez. Para que todas estas caracterı́sticas estén en su punto ideal se debe conocer un poco acerca de su árbol y su entorno. El árbol de café conocido como cafeto es relativamente pequeño y son reconocidos por sus hojas simples y opuestas. Sus flores son pequeñas, cilı́ndricas y blancas. El fruto es una drupa con dos nueces y con pulpa azucarada. El fruto que nace de este árbol son los granos de café los cuales cuando llegan a su estado de madurez toman un color rojizo y por esta razón es llamado “cereza”, el grano de café se divide en varias partes, en la figura 2.4 se puede observar cada una de estas partes..

(16) Figura 2.4: Partes del café[3].. El árbol de café produce su primera cosecha entre los tres y cuatro años después de haber sido sembrado. La vida útil de un cafeto está comprendida entre los 20 y 30 años, hay dos grandes especies de café con diferentes variedades y entre ambas forman aproximadamente el 98 % de la producción mundial de café, estas dos especies son: arábica y robusta. Luego de recolectar los granos de café del cafeto, estos tienen que experimentar un largo proceso, el cual se divide en 5 etapas, inicialmente en dicho proceso las “cerezas” se deben abrir para adquirir las semillas o granos (proceso de despulpado), luego de esto los granos deben permanecer en reposo durante un periodo de tiempo (proceso de fermentación), a continuación se tiene que lavar el grano con agua limpia para retirar los restos de mucilago que es el que contiene el azúcar del fruto (proceso de lavado), después de lavar el grano debe ser secado hasta llegar a una humedad entre el 10 y 12 %, si el grano toma estos valores de humedad se obtiene un grano limpio, al que se llama café pergamino, café oro o grano miel dependiendo del método que se haya utilizado (proceso de secado). El proceso finaliza con el tostado del café y es cuando el grano verde es sometido a una fuente de calor (proceso de tostado). De esta forma el café está listo para ser comercializado[31]. 2.2.1.1.. Clasificación del café. Existe gran variedad en cuanto a tipos de plantas de café y cada especie ofrece un fruto distinto. Se calcula que existen aproximadamente sesenta especies distintas de café en el mundo, pero son dos especies las más comunes en el mercado, ya que entre estas dos (arábica y robusta) suman el 98 % de la producción mundial. En la figura 2.5 se puede visualizar la diferencia entre estos granos. Arábica: Este cafeto requiere de un clima subtropical fresco, pero al mismo tiempo necesita sol, sombra y una tierra adecuada, además es una planta vulnerable al frı́o y a los insectos, por lo que requiere de mayor cuidado, lo que hace que los tipos de granos de café arábica sean más costosos.El arbol puede llegar a una altura máxima de 20 metros y puede llegar a vivir hasta 200 años, pero normalmente estos árboles miden 3 metros de altura y llegan a vivir más de 6 años. Entre las caracterı́sticas de su.

(17) fruto se puede destacar, su aroma, el dulce, son ligeramente ácidos y con grandes matices de sabor. El café arábico está considerado de mayor calidad que el de robusta[32]. Robusta: Este cafeto es menos susceptible a sufrir problemas a lo largo de su crecimiento, por ende, este café es más barato. El café robusta tiene aproximadamente el doble de cafeı́na que el arábica (2 % al 2.5 % comparado con 1.1 % al 1.5 %), por dicha razón este fruto es mucho más amargo. El robusta se cultiva también en alturas bastante elevadas (por encima de 1,200 m) y bajo sombreado. Estos atributos han contribuido a producir granos densos, con caracterı́sticas de infusión mejores que las esperadas normalmente de la bebida de robusta, lo que podrı́a ayudar a preparar cafés especiales y posiblemente cafés ejemplares[33].. Figura 2.5: Tipos de café[4]. 2.2.1.2.. Usos del café. A pesar de que el café es comúnmente conocido como bebida, este no es el único uso que tiene este fruto, algunos de los principales usos que se pueden destacar son: Bebida: El grano de café se utiliza normalmente como bebida. Para ello la semilla debe ser tostada y molida como se ha visto anteriormente en el item .2.1. Aromatizante: Se utiliza para dar sabor y aroma a muchos preparados alimentarios como por ejemplo helados, caramelos, pasteles entre otros. Medicina: Los modernos estudios de las propiedades terapéuticas de la planta de café muestra sus virtudes diuréticas, analgésicas y antioxidante, por esta razón la industria farmacéutica utiliza la cafeı́na en la composición de diversos medicamentos (principalmente analgésicos) o como medicamento único si lo que se pretende combatir es la somnolencia o la astenia[34]. Jardinerı́a: Los restos de café pueden ser utilizados como abono para plantas, ya que contienen muchos minerales, nitrógeno, fósforo y potasio, por ende, facilita el crecimiento de las plantas. 2.2.1.3.. Factores climáticos del café. La ubicación del cafeto es el factor más importante. Pues es el que determina el mejor sistema de producción. El clima ideal para el cultivo del café es tropical cálido, los factores climáticos influyen directamente en el crecimiento y desarrollo. Dichos factores son: temperatura, lluvia, vientos y brillo solar..

(18) Temperatura: La temperatura óptima para el cultivo del café está comprendida entre los 19 y 21°C, si la temperatura en el lugar de cultivo es menor a los 19°C su producción va a ser menor y si la temperatura es mayor a los 21°C da como resultado una vida útil del cafeto más corta, la cosecha más temprana y concentrada además de aumentar las plagas como la broca y el minador. Lluvia: La cantidad de lluvia que se considera apropiada para el cultivo de café está comprendida entre los 1.800 y los 2.800 milı́metros anuales bien distribuidos en los diferentes meses del año, llegando ası́ a una cantidad ideal de 120 milı́metros al mes, si las lluvias son mayores aumenta las probabilidades de que el cultivo apropie enfermedades como el mal rosado y la gotera. Si se presentan sequı́as excesivas, las hojas del cafeto pueden caerse por falta de agua y se puede incrementar el ataque de plagas como la arañita roja, el minador y la broca. Vientos: Los vientos son de vital importancia ya que este factor es el encargado de transportar el vapor de agua y nubes, haciendo variar algunos componentes del clima como las lluvias y el brillo solar, por ende, la mejor zona para cultivar un cafeto es aquella donde se presenten vientos de poca fuerza. Brillo solar: La principal fuente de energı́a para las plantas es la radiación del sol, por este motivo obtener una buena cantidad de brillo del sol hacia el cafeto es primordial, por lo tanto, las zonas cafeteras se encuentran en lugares donde el brillo solar es de 1.600 a 2.000 horas de sol al año (4 a 6 horas de sol diarios)[35]. 2.2.1.4.. Enfermedades del café. El control de las principales enfermedades de los cafetales es otra fuente de constante trabajo y esfuerzo para los caficultores. Las enfermedades son causadas por hongos, bacterias y virus. Las de mayor importancia económica son: la roya, las llagas del cafeto, la mancha de hierro. La roya: Es un hongo, que se distingue fácilmente por la presencia de una capa amarilla en las hojas. Es una enfermedad cı́clica que afecta principalmente el follaje, produce defoliación y el daño conocido como "paloteo". Está ligado a los años de alta producción con epidemias severas. En cultivos susceptibles, la enfermedad ha causado pérdidas hasta del 23 % de la producción. La relación de café cereza a café pergamino seco puede llegar a valores de 8 a 1. La mancha de hierro: Este hongo es el causante de la enfermedad más generalizada en Colombia, afecta el cafeto durante todos sus estados de desarrollo, desde las hojas hasta los frutos. Se caracteriza porque son pequeñas manchas circulares de color marrón rojizo. Permanentemente, causa la caı́da de las hojas e incrementa la producción de café pasilla, mediacara y guayaba que afectan la calidad. Los cafetales a plena exposición y mal fertilizados son los más susceptibles. Las llagas del cafeto: Son hongos habitantes del suelo y nacen debido a las prácticas de renovación por zoqueo, podas de ramas bajeras, deschuponadas, descopes o pisoteo en la base de los tallos, cuando no se protegen las heridas y principalmente en época húmeda. Este hongo causa la muerte de la planta, en ataques severos puede reducir hasta el 40 % del cultivo. Aunque existen recomendaciones para evitar esta enfermedad el control es netamente preventivo, porque una vez que ataca este hongo no existe algún producto que funcione como cura, la única manera es eliminar la planta de raı́z y exponer el terreno a los rayos del sol mı́nimo durante 3 meses[36]..

(19) 2.2.1.5.. Correcto secado para el beneficio del café. Los principales riesgos para el café son las sustancias quı́micas que incluyen los residuos de plaguicidas, la ochratoxina A, las emisiones de humo, los combustibles y elementos quı́micos pesados, además de algunos agentes biológicos como los hongos de los géneros Aspergillus y Penicillium, la broca, el gorgojo y los roedores. Para evitar todos estos riesgos en el proceso de secado, se debe tener en cuenta las siguientes prácticas. El secado del café se debe realizar inmediatamente después de hacer el lavado del grano. Los granos del café deben ser movidos frecuentemente con rastrillos limpios aproximadamente 3 o 4 veces al dı́a para garantizar un secado uniforme. Al sistema de secado no se le debe mezclar granos de café con diferentes contenidos de humedad. Para el secado al sol se debe usar capas delgadas de granos, de 2 a 4cm, 13 a 25 kg por m2 de área de secado, pero cuando las condiciones climáticas sean más secas se puede utilizar una capa más gruesa. El grano debe ser protegido de alguna manera de la lluvia durante el proceso de secado. Se debe de evitar en todo momento que el pergamino del grano del café se rompa o se deteriore durante el proceso de secado. Colocar trampas o algún otro método para controlar el deterioro del café por parte de las brocas, teniendo en cuanta que tales trampas no pueden afectar en el proceso de secado ni en la calidad del grano. Antes del empaque el grano de café debe contener una humedad entre el 10 y 12 %. La humedad del grano debe ser medido por personal capacitado utilizando dispositivos calibrados para medir la humedad del café pergamino, se debe tener en cuenta que la mayorı́a de estos dispositivos de medición están calibrados a temperatura ambiente, por lo que se debe dejar enfriar el grano antes de medir su humedad[37].. 2.2.2.. Secado del café. El secado consiste en retirar el agua de la superficie del fruto por el método de evaporación y traspasarla al aire. Este proceso depende de la velocidad con la que circula el aire dentro del sistema, el grado de sequedad y de las caracterı́sticas del grano como su composición, humedad, tamaño entre otros. El aire contiene y puede absorber vapor de agua, la cantidad de vapor de agua que el aire puede absorber depende, en gran medida, de su temperatura. A medida que el aire se caliente, su humedad relativa decae y por lo tanto puede absorber más humedad. Al calentarse el aire alrededor del fruto, este se deshidrata rápidamente. En el cuadro 2.1 donde HR es la humedad relativa del fruto, se puede apreciar que a mayor temperatura más capacidad del aire de absorber agua. Cuanto mayor sea el flujo de aire, más rápidamente se eliminará el agua del producto que se desea secar. En condiciones normales, el aire puede retirar hasta un 50 % del agua que se encuentra en el fruto[38, 17]..

(20) Temperatura °C 29 30 40 50. HR 90 50 28 15. Gramos de agua que pueden ser retirados por kg de aire seco 0,6 7,0 14,5 24 Cuadro 2.1: Capacidad de agua. Las caracterı́sticas del grano influyen en el proceso de secado, ya que este puede tener una capa exterior gruesa o fina las cuales inciden para que su interior se seque por completo. Luego de que la humedad de la superficie del grano se evapore, la velocidad de secado dependerá de cómo la humedad interior se dirija hacia la superficie. El tamaño también es un factor de mucha importancia porque mientras más pequeño sea el grano menos tiempo tomara para que la humedad interna sea evaporada. El principal objetivo es obtener un producto de buena calidad por lo que se deberı́a prestar atención a los diferentes niveles de secado, ya que a temperatura moderada y un alto grado de humedad dentro de la cámara de secado podrı́an darse origen a bacterias, hongos, levaduras. Por lo que se deberı́a tomar en cuenta que el periodo de secado deberı́a ser más corto para obtener mejores resultados. También se puede dar el caso que al aumentar la temperatura dentro de la cámara de secado podrı́a originar perdida de color, sabor y quizás ruptura del grano. El proceso de secado se divide en dos etapas fundamentales: la primera etapa se concentra en la parte externa del grano, donde ocurre una evaporación prácticamente constante y se logra la mayor difusión de agua en menor tiempo, tanto ası́ que en esta etapa la humedad disminuye del 55 - 60 % a 20 - 25 %. Mientras que la segunda etapa se lleva a cabo en la parte interna del grano donde se reduce lentamente el contenido de humedad de 20 - 25 % a 10 - 12 %[5, 17, 38]. 2.2.2.1.. Tipos de deshidratación. Existen distintas formas para lograr u correcto secado cómo, por ejemplo: por arrastre, por evaporación y por liofilización, es de suma importancia tener en cuenta los siguientes factores a la hora de seleccionar un proceso de secado segun el tipo de producto, las propiedades deseadas, la susceptibilidad al calor, los pretratamientos requeridos, los costos del proceso. Por arrastre: Este tipo de deshidratación consiste en retirar el agua poniendo el producto en contacto con el aire, con lo que tiende a retirar el agua del alimento, y se lo realiza a menudo hasta que se consiga el grado de humedad necesario en el grano. Cuando existe una temperatura mayor al secado por arrastre es realizada por un chorro de aire caliente. Por vaporización: Consiste en calentar el producto lo suficiente como para que el agua alcance el punto de ebullición y abandone el interior del grano en forma de vapor. Por lo general el agua hierve a 100 °C por lo tanto la eliminación del agua necesita obtener niveles de temperatura muy altos, por lo que es un tipo de secado muy agresivo y a menudo es utilizado en la etapa de cocinado de algún alimento[39]. Por liofilización: Es un tipo de secado que retira el agua con ayuda del proceso de sublimación sometiendo a condiciones de temperatura inferiores del punto triple. Es un método caro y lento ya que la misma requiere una atmósfera de alto vació, pero a la vez la ausencia de aire y el frio a la que se encuentra sometido el producto hace que se obtenga en buena calidad[40]..

(21) 2.2.2.2.. Factores de las condiciones de secado. Se tiene que considerar el contenido inicial de humedad del producto y el contenido final de humedad que se desea obtener. Para esto se verifica el estado fı́sico como la forma, el tamaño, la superficie, la sensibilidad a la temperatura entre otros. También se debe analizar las caracterı́sticas del secador como su fuente de energı́a adicional y el volumen que se va a secar. Las caracterı́sticas meteorológicas es otro factor para considerar como la humedad relativa, la radiación solar, velocidad del viento, etc. El contenido de humedad se expresa en base húmeda. Para medir el contenido de humedad del grano se pesa una muestra del producto y se provoca la eliminación del agua sometiéndola a un calentamiento a una temperatura predeterminada, posteriormente se pesa nuevamente y se obtiene la masa de la materia seca para encontrar la humedad por diferencias de masas. 2.2.2.3.. Procedimiento para estimar el correcto secado. A continuación, se muestran los pasos que se llevaran a cabo para evaluar el correcto secado del grano. Determinar la humedad del producto secando una muestra y midiendo la masa de la muestra cada 30 minutos hasta que este grano muestre ninguna reducción de masa, quedando ası́ únicamente la materia seca. Calcular Hh = (Ph - Pms) / Ph * 100 % Calcular R, el cual va a ser una constante R = (100 % - Hh) / (100 % - Hs) = Ps / Ph Se escoge una muestra que se va a secar y se pesa (Ph). Calcular la masa seca con respecto a la humedad seca Ps = R * Ph En el secado se procede a pesar la misma muestra y se continúa secando hasta que el Ps medido corresponda al Ps calculado[41]. NOTA: Ps = masa seca Ph = masa húmeda Pms = masa de la materia seca Hh = Humedad del producto húmedo ( %) Hs = Humedad del producto seco ( %) R = rendimiento Hay otras múltiples formas de comprobar que el grano se encuentra correctamente secado, estas son: A la vista: Este método consiste en tomar una muestra de café, desprenderlo del pergamino, si el grano se observa con un color verde azulado, se corrobora que este se encuentra correctamente secado, si no el grano aún se encuentra húmedo. Con el diente: Este método consiste en tomar algunos granos distribuidos en distintos puntos del secador, todos estos granos son prensados con los dientes, si los dientes quedan marcados en el grano se concluye que se encuentra en el punto de secado correcto, pero si el diente se hunde es porque el grano aún se encuentra húmedo y si al grano no le queda ninguna marca es porque está reseco..

(22) Con el cuchillo: Este método consiste en tomar varios granos distribuidos en diferentes puntos del secador, estos son ubicados con la cara plana hacia abajo y son cortados, si los dos pedazos saltan hacia los lados quiere decir que ya está en el punto de secado correcto, si los dos pedazos no brincan indica que se encuentra húmedo, pero si el grano no sé deja cortar es porque está reseco. Con martillo: Este método consiste en golpear los granos ubicados en una zona plana boca abajo, si al grano le queda la marca del golpe es porque se encuentra en el punto indicado de secado, si el grano se aplasta es porque aún se encuentra húmedo y si se quiebra es porque está reseco. Dispositivo electrónico: Quizás este sea el método correcto y más fiable a la hora de determinar el punto de secado, ya que únicamente se debe ubicar el aparato electrónico en el grano para que este nos indique el contenido de humedad[42].. 2.2.3.. Métodos de secado de café. El café puede ser secado de muchas maneras, sin embargo, todas estas formas de secado son abarcadas en tan solo tres categorı́as generales que son: secado al sol, secado mecánico y secado solar. Existe otro método de secado que es el secado a la sombra, pero este se presenta únicamente en paı́ses frı́os donde las condiciones de la zona son favorables presentando una baja humedad. 2.2.3.1.. Secado al sol. El método de secado al sol busca que el grano se encuentre en todo momento expuesto a la radiación solar y al aire hasta alcanzar la humedad establecida y es recomendada para fincas con producciones menores de 500 arrobas de café pergamino seco al año. Este tipo de secado puede durar entre 7 a 8 dı́as dependiendo de las condiciones climáticas de la región situada, curiosamente este método es el más usado en paı́ses en vı́a de desarrollo, debido a ser el más económico porque usa como energı́a calórica la procedente del sol, la cual es gratuita. Además de depender netamente de las condiciones climáticas de la zona, los cultivos se encuentran al aire libre donde los insectos pueden comerse el fruto. La forma que puede adquirir un sistema de secado al sol es variada, ya que se compone fundamentalmente de la superficie en la que se va a implementar. Por ejemplo, en patios de cemento que es la más común y usada (figura 2.6), carros o terraza móvil, elbas, La marquesina, Parabólicos, túnel, etc[17, 43].. Figura 2.6: Secado al sol[5]..

(23) Enla figura 2.7 se observa la curva de secado del café cuando se utiliza el método de secado al sol.. Figura 2.7: Curva de secado con el método de secado al sol[6]. 2.2.3.2.. Secado mecánico. Se caracteriza por utilizar corrientes de aire generadas con un ventilador, es decir, con ventilación forzada. Para calentar el aire interno en el sistema se han diseñado equipos que emplean como fuente principal de calor la electricidad, el gas, el carbón y otros insumos como la cascarilla de café. Se debe tener en cuenta nunca sobrepasar los 60°C porque puede resecar el grano. Anteriormente en Colombia el secador mecánico más popular era el tipo Guardiola (figura 2.8), el cual posee un cilindro que gira constantemente con los granos de café en su interior hasta dejarlos caer desde la parte más alta, utilizando palas metálicas empotradas desde la parte interna del cilindro. La transferencia de calor hacia los granos de café se produce cuando estos chocan con el aire caliente que entra al secador a través de un tubo perforado coaxial al eje del cilindro. A pesar de que con este tipo de secador se obtenı́a un producto con una distribución de humedad muy uniforme los costos de operación eran altos por lo que poco a poco se fueron sustituyendo por secadores de capa estática donde solamente se invierte la dirección del flujo de aire y los de capa móvil, donde esta se invierte al pasarla de una cámara a el siguiente, localizada en un plano inferior.. Figura 2.8: Secador mecánico tipo Guardiola[7].. Al igual que el secado al sol hay diferentes estructuras para secar el café mecánicamente y dependiendo del tipo de secador serán las condiciones de operación más adecuadas para lograr un secado eficiente.

(24) en el grano sin deteriorar mucho su calidad. Por ejemplo, secador estático, silo secador, secador de dos pisos, etc[5, 43]. Enla figura 2.9 se observa la curva de secado del café cuando se utiliza el método de secado mecánico.. Figura 2.9: Curva de secado con el método de secado mecánico[8]. 2.2.3.3.. Secado solar. Los secadores solares están formados básicamente por el colector solar y la cámara de secado, en el colector solar es donde el aire se calienta debido a la radiación solar y la cámara de secado es donde se ubica el grano de café a secar, el aire que circula desde el colector solar y la cámara de secado se realiza por circulación forzada (el aire que circula dentro de la cámara de secado es controlado por ventiladores) o por circulación natural (El aire fluye naturalmente este es generado gracias a la diferencia de temperatura entre el colector solar y la entrada de aire provista). Los secadores solares se dividen en dos grupos; los directos (figura 2.10) y los indirectos. Los directos son aquellos que poseen la cámara de secado y el colector solar unidas haciendo que la cámara de secado también sea del colector solar recibiendo ası́ la radiación proveniente del sol, en este tipo de secadores la radiación solar es absorbida por el producto que se encuentra en la cámara de secado, este método aprovecha la energı́a de una manera más eficiente para secar la humedad existente en el grano. Este tipo de sistema es más económico debido a la combinación entre el colector solar y la cámara de secado[43]..

(25) Figura 2.10: Secador solar[9]. Ventajas de los secadores solares directos sobre el secado al sol: El grano no está expuesto a la lluvia ni puede absorber humedad por la noche y, por lo tanto, se evita el re-humedecimiento que da lugar a manchas y deterioro del aspecto. Las variaciones de temperatura del aire en el interior son muy poco abruptas, igual que la variación de humedad, ası́ el secado se realiza de forma más constante. Esto evita la formación de moho causante de cambios de sabor y agrietamiento del grano. Se evita el contacto con polvo, tierra, excrementos de animales y basura, consiguiendo un grano más limpio y sin contaminantes. Disminución del 40 % en el tiempo de secado. Puede ser entre 5 y 7 dı́as. Menor costo y tiempo de construcción. Alrededor de un 35 % menor. Ventajas de los secadores solares directos sobre el secado mecánico: Se evita el uso de combustibles o energı́a, eliminando la contaminación ambiental. No se transmite mal olor al grano por el uso de combustibles. Bajo coste de implementación y mantenimiento. Tecnologı́a sencilla. Desventajas de los secadores solares directos: El café debe moverse en el menor tiempo posible para evitar cambios bruscos de temperatura, y para no obtener un secado no uniforme en el grano. La cubierta de plástico tiene una vida útil entre 2 y 3 años..

(26) Capı́tulo 3. DESARROLLO DEL PROYECTO 3.1.. DISEÑO DE LA CÁMARA DE SECADO. El diseño de la cámara de secado fue realizado basándose en el efecto invernadero, aunque este efecto es el desarrollado por la tierra para ser calentada, también se le llama a la confinación de aire caliente en el interior de un espacio cerrado por la acción de la radiación solar que atraviesa un plástico o vidrio, pero que este es opaco a la radiación terrestre. De esta manera, parte de la radiación solar pasa a través del material transparente o semitransparente, denominada radiación de onda corta llega al suelo, parte es absorbida y la otra reflejada. La radiación reflejada es la de onda larga o infrarroja y una parte no atraviesa el vidrio o plástico, siendo reflejada, quedándose en el interior y calentando el aire interno. De esta manera, el funcionamiento del secador solar a utilizar se puede explicar de la siguiente forma. El aire del interior del secador es calentado por el sol, aumentado su punto de saturación y ası́ poder absorber la humedad de los granos, y le provoca movimiento de convección al reducir su densidad. El aire con menor densidad, cargado de agua y más caliente, se dirigirá hacia el techo y este se evacuará de la cámara gracias a la intervención del usuario (manualmente) e ingresará aire nuevo de menor temperatura, menor contenido de agua, por el sistema de control de flujo de aire (circulación forzada). Algunas de las ventajas de usar ventilación forzada son: Crea en el interior un ambiente más seguro, acelera la eliminación de contaminantes, suplementa las fuentes naturales de ventilación, proporciona una ventilación adecuada. El secador parabólico natural para café desarrollado por Cenicafé ha sido adoptado y utilizado exitosamente por muchos caficultores colombianos, para atender flujos de café producidos en fincas, de menos de 2500 kg de café pergamino seco por año y en algunas fincas grandes, cuando se encuentran en épocas bajas de producción[44, 6]. Con el fin de incrementar el aprovechamiento de la energı́a solar, disminuir el costo y facilitar la construcción, se diseñó un nuevo secador solar tipo parabólico. Esté al igual que el secador parabólico natural, consta de: una estructura de madera, una cubierta plástica transparente y un piso de malla plástica. El secador solar parabólico construido dispone de una superficie de 0.256 m2 ,adecuada para atender el secado del café de una finca con producción anual de 20 kg. Teniendo en cuenta que el secador que se construyó es un prototipo a escala 1:10, se puede concluir que el secador real dispondrá de una superficie de 25.6 m2 y ası́ podrá atender el secado del café de una finca con producción anual de 25.

(27) 1900 kg; sin embargo, las dimensiones se pueden acomodar a otras producciones, si se calcula el dı́a equivalente al 2 % de la producción anual, en una finca con la producción mencionada anteriormente se obtendrı́an 75 kg de café, que requieren de un espacio de 4.1 m2 en el secador, considerando que el grano de café no puede superar los 3 cm de altura. Como se observa, quedarı́a espacio disponible para manejar de forma independiente el café producido en otros dı́as. La base donde se ubica el grano de café se construyó a 8.5 cm del suelo, lo cual brinda la posibilidad de disponer de una zona libre por donde circula el aire inyectado por el sistema electrónico, no ubicar el café en el piso y dejar una zona libre debajo de este también tiene como fin disminuir la posibilidad que se contamine el café, ya sea por el operario o por el ingreso de animales.. 3.1.1.. Partes de la cámara de secado. El secador solar parabólico construido se puede dividir en tres partes esenciales que son: la base, el techo y el sistema electrónico de inyección de aire. Se debe tener en cuenta que todas estas partes deben quedar adheridas entre si perfectamente para no tener problemas con fugas de aire y ası́ aprovechar de mejor manera el aire que se encuentra dentro de la cámara de secado. 3.1.1.1.. Base. Esta parte del secador tiene como fin sostener el grano de café a una altura respectiva, además de generar un espacio libre entre el piso y el grano de café para facilitar la circulación del aire y disminuir la contaminación. La base está construida en madera (cedro Caquetá), la cual tiene en su superficie un marco con un angeo para depositar el grano de café, en la figura 3.1 se observa el diseño de esta parte del secador en Sketch Up pro 2018, mientras que en la figura 3.3 se visualiza ya construido completamente y en la figura 3.2 sus respectivas piezas que lo conforman.. Figura 3.1: Diseño de la base del secador solar parabólico (autor).. todas las distancias dadas en la figura están dadas en unidades de centı́metros [cm]. Los agujeros que están ubicados a un costado de la estructura son los que van a permitir la conexión entre la base y el sistema electrónico de inyección de aire. En estos agujeros se van a introducir tubos PVC con.

(28) un diámetro de media pulgada, los cuales van a dirigir el aire desde el sistema electrónico, hasta la estructura de secado, en la figura 3.2 se pueden observar estos tubos.. (a) Pieza 1 (base).. (b) Pieza 2 (angeo).. Figura 3.2: Piezas de la base del secador solar parabólico (autor).. Figura 3.3: Base completa del secador solar parabólico (autor). 3.1.1.2.. Techo. El secador construido es tipo parabólico y este nombre se le asignó debido a que el techo tiene esta forma. El techo se recubre con un plástico semitransparente para aprovechar mejor la radiación del sol, para soportar el plástico se utilizan 8 palos de madera con 1 cm de ancho y 48 cm de longitud dobladas en forma de arco, separadas cada una a 7 cm, las cuales se fijan con puntillas a la base del techo. Para fijar el techo con la base del secador se utilizaron bisagras y ası́ el usuario podrá acceder al grano de café únicamente levantando el techo, haciendo de este proceso lo más sencillo posible, en la.

(29) figura 3.4 se puede observar el diseño de esta parte del secador en Sketch Up pro 2018, mientras que en la figura 3.5 se puede visualizar ya construido completamente.. Figura 3.4: Diseño del techo del secador solar parabólico (autor).. todas las distancias en la figura están dadas en unidades de centı́metros [cm].. Figura 3.5: Techo del secador solar parabólico (autor). 3.1.1.3.. Sistema electrónico de inyección de aire. El sistema electrónico que contiene la estructura del secador consta de 4 tubos PVC con un diámetro de 0.5 pulgadas que van conectados a la base del secador, estos tubos están unificados entre si con codos y conectores del mismo material, su finalidad es dirigir el aire expulsado por un ventilador hacia el interior de la estructura del secador. Este sistema electrónico consta de dos dispositivos eléctricos esenciales para su funcionamiento, estos son: un motor, una resistencia térmica. El motor tiene adherido a sı́ mismo unas aspas de 4 palas que funcionan para hacer fluir el aire hacia una dirección determinada, el motor varia su velocidad y por ende también el flujo de aire dentro del secador, dependiendo de las necesidades que se requieran dentro de la cámara de secado. La resistencia térmica está hecha de nicromo y también varia su intensidad dependiendo de las necesidades que se requieran dentro de la cámara de secado, esto quiere decir que el aire que ingresa dentro de la cámara de secado puede variar su temperatura..

(30) Se puede observar en la figura 3.6 los dos dispositivos que forman este sistema electrónico, y en la figura 3.7 se puede observar el montaje del sistema electrónico completado, en esta figura se puede observar que el sistema electrónico fue diseñado y construido con base en una pistola de aire caliente.. (a) Motor con aspas o ventilador.. (b) Resistencia térmica.. Figura 3.6: Actuadores de control sobre las variables de la cámara de secado (autor).. Figura 3.7: Sistema electrónico de inyección de aire (autor).. Ya teniendo claro cuáles son las partes que forman la cámara de secado y cuál es la función que cumple cada uno, se procede a ensamblar cada una de estas partes para que todo resulte ser una sola pieza, en la figura 3.8 se puede observar la cámara de secado terminada en su totalidad. Se debe tener en cuenta que todas estas partes deben quedar adheridas entre si perfectamente para no tener problema.

(31) con fugas de aire y ası́ aprovechar de mejor manera el aire que se encuentra dentro de la cámara de secado.. (a) Cerrado.. (b) Abierto.. Figura 3.8: Cámara de secado (autor).. 3.2. 3.2.1.. DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO Descripción de la tarjeta de desarrollo Arduino. Arduino es una tarjeta de desarrollo que contiene un microcontrolador y todos los demás dispositivos que son necesarios para que el microcontrolador funcione. ¿Qué es un microcontrolador? un microcontontrolador es un dispositivo que dentro de sı́ tiene una CPU, una memoria no volátil (los datos no serán borrados después de que sea desconectado de la fuente de energı́a ROM), una memoria volátil (los datos serán borrados después de que sea desconectado de la fuente de energı́a RAM), básicamente un microcontrolador es una computadora a una escala menor, este puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, avisos lumı́nicos, secuenciado de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. En la figura 3.9 se puede observar los componentes que contiene la tarjeta de desarrollo a utilizar (Arduino UNO).. Figura 3.9: Tarjeta de desarrollo con microcontrolador integrado (Arduino UNO)[10]..

(32) A continuación, se muestran las caracterı́sticas que contiene esta tarjeta de desarrollo (cuadro 3.1). Voltaje Alimentación Pines digitales I/O Pines analógicos de entrada Corriente Dc de entrada y salida Memoria flash SRAM EEPROM Reloj. 5V 7 - 12V 14 (6 PWM) 6 40mA 32KB 2KB 1KB 16MHz. Cuadro 3.1: Caracterı́sticas de la tarjeta de desarrollo a utilizar.. En la figura 3.10 se da a conocer la función que llevan a cabo cada uno de los pines que contiene esta tarjeta de desarrollo.. Figura 3.10: Pines de la tarjeta de desarrollo (Arduino UNO)[11].. Esta tarjeta de desarrollo cuenta con una serie de pines especiales; estos pines especiales son utilizados para interfaces UART; es decir; cuenta con un pin RX y un pin TX con los cuales se pueden implementar comunicaciones seriales, lo cual es muy útil para conectar con otras tarjetas como por ejemplo otro Arduino, Raspberry pi, Beagelbone y otros. También cuenta con pines como SCL, SDA, MOSI, MISO, SCK y SS, lo cual significa que se pueden implementar protocolos de comunicación I2C y SPI[45, 46]. El pin escogido para controlar la velocidad del motor en este proyecto es el número 6, se utilizó este pin debido a que este permite a la salida una señal PWM y dependiendo del ancho de pulso de la señal, el motor variara su velocidad. Los pines escogidos para controlar la intensidad de la resistencia.

(33) térmica son el 7 y el 8; Cabe recalcar que tanto la señal proveniente del pin 6 como la de los pines 7 y 8 son señales de control para el módulo de potencia del motor y de la resistencia térmica.. 3.2.2.. Módulo de potencia para la resistencia térmica. Para lograr variar la intensidad de la resistencia térmica a partir de una señal de control procedente del Arduino, se realizó un módulo que varia el ángulo de disparo de los tiristores y ası́ modificar el valor rms que le llega a la carga (resistencia térmica). Antes de controlar el ángulo de disparo de los tiristores, el microcontrolador debe reconocer en que momento el valor de la señal de alimentación (señal de la red) es igual a cero, para esto se creó un circuito electrónico llamado detector de cruces por cero, en la figura 3.11 se puede observar la implementación de este circuito.. Figura 3.11: Detector de cruces por cero (autor).. Este circuito consta de un transformador que tiene como fin reducir la tensión de entrada de 120Vrms a 6Vp, de un puente de diodos que tiene como fin transformar esa señal AC a una señal DC y por último un optoacoplador que aparte de detectar los cruces por cero de la señal, también aı́sla eléctricamente la parte de potencia con la parte de control, que es donde se conectara el Arduino. En la figura anterior se puede observar que contiene 2 puntos (A y B) en cada uno de estos puntos se visualizó la señal y se obtuvo lo siguiente (figura 3.12).. Figura 3.12: Señales del detector de cruces por cero (autor)..

(34) Como se puede observar en la figura 3.12 cada que la señal de alimentación (señal de la red eléctrica) cruce por cero, entonces este circuito lo que va a hacer es entregar un pulso con 5v pico, este pulso lo recibirá el Arduino y ası́ el microcontrolador sabrá en que momento la señal de alimentación vale cero. La señal proveniente del punto B en la figura 3.11, se dirigirá hacia el pin 2 de la tarjeta de desarrollo, se utiliza este pin porque este predispone de un interruptor de los timers. El programa para controlar el ángulo de disparo de los tiristores se basa en usar el timer 1 y el timer 2. El timer 1 comenzara a contar justo en el momento que detecte la interrupción en el pin 2 hasta un cierto lı́mite que el control PID le indicara, dependiendo del valor que tome el timer 1, el ángulo en que se van a disparar los tiristores variara entre 0 y 180º. El timer 2 tiene como fin garantizar que el tiristor se logre excitar, ya que se debe tener en cuenta que estos dispositivos para que se activen, se les tiene que excitar con un pulso en el gate, pero este pulso debe tener un tiempo mı́nimo. En la figura 13 se muestran las señales que indican la tensión de salida, la señal que ingresa a los gates y los timers.. Figura 3.13: Señales de los timers[12]. Ya teniendo claro el funcionamiento del control del ángulo de disparo se procede a realizar el código en la plataforma de Arduino como se muestra continuación..

(35) Algoritmo 3.1 Código para el control del ángulo de disparo. #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #define DETECT 2 // pin que detecta el cruce por cero #define GATE 7 // pin que alimenta el gate del tiristor 1 #define GATE1 8 // pin que alimenta el gate del tiristor 2 #define PULSE 4 // contador void setup() { pinMode(DETECT, INPUT); // pin de entrada digitalWrite(DETECT, HIGH); pinMode(GATE, OUTPUT); // pin de salida pinMode(GATE1,OUTPUT); // pin de salida OCR1A = 100; // inicializa el comparador TIMSK1 = 0x03; // habilita el comparador A y las interrupciones TCCR1A = 0x00; //establecer los registros del temporizador TCCR1B = 0x00; // deshabilitar timer attachInterrupt(0,zeroCrossingInterrupt, RISING); //configurar la interrupción del cruce por cero } void zeroCrossingInterrupt() { TCCR1B=0x04; TCNT1 = 0; } ISR(TIMER1 COMPA vect) { digitalWrite(GATE,HIGH); digitalWrite(GATE1,HIGH); TCNT1 = 65536-PULSE; } ISR(TIMER1 OVF vect) { digitalWrite(GATE,LOW); digitalWrite(GATE1,LOW); TCCR1B = 0x00; } void loop() { OCR1A = X; }. // inicia el temporizador // resetea el timer o contador. // comparador. // ancho de pulso de disparo. // desbordamiento del timer 1. //deshabilitar el temporizador. //donde X es 510 máximo y 50 minimo. Como se puede observar en el algoritmo 3.1, se utilizaron dos señales de control para el módulo de potencia de la resistencia térmica, esto es debido a que se utilizaron dos tiristores conectados en antiparalelo para garantizar el paso de la señal en su semiciclo positivo y negativo, la razón por la.

(36) que no se utilizó un triac y ası́ ahorrar espacio y dinero, fue porque se corrı́a el riego que se disparara en los cuatro cuadrantes; es decir, en todo momento se encontrarı́a activo el dispositivo, por eso para realizar controladores de altas potencias esta sumamente recomendado utilizar dos SCR’s conectados en antiparalelo en vez de un triac y ası́ tener un control total sobre el módulo de potencia. Debido al uso de dos tiristores, fue necesario crear dos señales de control provenientes del Arduino (pin 8 y 9), aunque sean la misma señal estas deben de estar separas, debido a que, si se utiliza una sola señal de control para alimentar los gates de cada SCR, se harı́a un corto circuito entre estos dos dispositivos. En la figura 3.14 se puede observar el módulo de potencia de la resistencia térmica.. Figura 3.14: Módulo de potencia para la resistencia térmica (autor).. 3.2.3.. Módulo de potencia del motor. Para lograr variar la velocidad del motor a partir de una señal de control procedente del Arduino, se realizó un módulo que dependerá del ancho de pulso de la señal de entrada para variar la tensión que le va a llegar al motor. El circuito implementado se puede observar en la figura 3.15 y el código a implementar en el algoritmo 3.2.. Figura 3.15: Módulo de potencial del motor (autor).. El transformador tiene como fin reducir la tensión de entrada de 120Vrms a 18Vp. El puente de diodos transforma la señal procedente del transformador de AC a DC. El condensador tiene como fin eliminar el rizado de la señal y ası́ entregarle al motor una tensión netamente continua y el MOSFET es aquel dispositivo clave, ya que él es el que controla la tensión que le ingresa al motor dependiendo de la señal que reciba de excitación en el gate, proveniente del Arduino..

(37) Algoritmo 3.2 Código para el control de velocidad del motor. int Motor = 6; // pin de conexión del motor void setup() { pinMode (Motor, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(Motor, X); mı́nimo y 255 máximo }. 3.2.4.. // pin de salida. // Donde X es la velocidad que se le va a ingresar al motor 0. Pines de la tarjeta de desarrollo Arduino. Antes de diseñar el circuito impreso del sistema, se debe tener claro cuántos pines de esta tarjeta de desarrollo se necesitan usar, en este caso según los requerimientos establecidos anteriormente el número de pines a utilizar de esta tarjeta son 11, sin tener en cuenta los pines de alimentación (5V, GND) y teniendo en cuenta que el Arduino UNO permite el uso de 19 pines, ya sea de entrada o de salida, podemos concluir que esta tarjeta de desarrollo es más que suficiente para cubrir las necesidades de este proyecto. Luego de tener claro el numero de puertos a utilizar, el paso a seguir es determinar cuáles de estos son entradas y cuales son salidas. Los puertos que se utilizan como entrada son 6 en total, cuatro de ellos (P9, P10, P11 y P12) son donde se van a conectar los sensores que medirán la temperatura y la humedad relativa dentro de la cámara de secado, mientras que los dos restantes son pines esenciales para el control del ángulo de disparo de los SCR’s, como anteriormente se dijo uno se dedicara a recibir los pulsos provenientes del detector de cruces por cero (P2) y el otro funcionara como contador del ancho de pulso de disparo (P4). Los puertos que se utilizan como salida en total son 5, dos de ellos (A5 y A4) se usan para darle funcionamiento a la pantalla LCD 16x2 y que el usuario logre visualizar los datos obtenidos dentro de la cámara de secado, otros dos sirven para alimentar los gates de los SCR’s y ası́ controlar la intensidad de la resistencia térmica (P7 y P8), mientras que el ultimo pin se usó como PWM para controlar la velocidad del motor (P6).. 3.2.5.. Descripción del Sensor DHT22. El sensor que se usa para la realización de este proyecto es el DHT22 (figura 3.16), este sensor se usa debido a que es capaz de medir temperatura y humedad relativa al mismo tiempo, además es un sensor digital ası́ que no es necesario hacer un acondicionamiento para la señal, es decir, se ahorra espacio en el uso dispositivos electronicos, únicamente necesita de una resistencia conectada entre el pin de datos y el de alimentación (resistencia pull-up), teniendo en cuenta que este sensor se puede conseguir en el mercado con su “acondicionamiento” realizado en un circuito impreso en la parte posterior del mismo, el ahorro de espacio es mayor..

(38) Figura 3.16: Sensor de temperatura y humedad relativa (DHT22)[13].. Como se puede observar en la figura 3.16, este sensor tiene tres pines de izquierda a derecha, el primero sirve para la alimentación de 5V, el segundo es el que envı́a los datos tomados del entorno (temperatura y humedad relativa) y el ultimo se conecta a la referencia (ground). Una de las desventajas de este sensor es que no puede estar en contacto con el agua, por esta razón los sensores no pudieron ser ubicados al mismo nivel del grano de café ası́ que lo que medirán no va a ser la humedad del producto como tal, sino la humedad y la temperatura dentro del espacio de la cámara de secado. EL DHT22 (sin llegar a ser en absoluto un sensor de alta precisión) tiene unas caracterı́sticas aceptables para que sea posible emplearlo en proyectos de monitorización o registro, que requieran una precisión media, a continuación, se muestran las caracterı́sticas de este sensor. Medición de temperatura entre -40 a 125, con una precisión de 0.5ºC. Medición de humedad entre 0 a 100 %, con precisión del 2-5 %. Frecuencia de muestreo de 2 muestras por segundo (2 Hz). Teniendo en cuenta que este sensor es digital podemos deducir que este envı́a los datos tomados en forma de bits, ası́ que ¿cómo extraer los datos medidos por el sensor a partir de ese tren de pulsos?, si leemos la hoja del fabricante (datasheet) podemos darnos cuenta de que en cada envı́o de medición el sensor envı́a un total de 40bits, en 4ms. Estos 40 bits corresponden con 2 Bytes para la medición de humedad, 2 Bytes para la medición de temperatura, más un Byte final para la comprobación de errores (8bit integral RH data + 8bit decimal RH data + 8bit integral T data + 8bit decimal T data + 8bit check sum)[47]. Por fortuna la plataforma de Arduino nos permite usar una gran variedad de librerı́as, en el algoritmo 3.3 se puede observar el código utilizado para poder obtener los datos de este sensor..

(39) Algoritmo 3.3 Código para leer los datos del sensor (DHT22). #incluye <Adafruit Sensor.h> #include <DHT.h> DHT dht(9, DHT22); // pin de conexión del sensor void setup() { dht.begin(); }. //inicializa el pin del sensor. void loop() { float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); }. 3.2.6.. // lee la humead medida por el sensor // lee la temperatura medida por la temperatura. Diseño del circuito electrónico para el control de la cámara de secado. Después de corroborar el correcto funcionamiento de todo el sistema se realizó el diseño de la placa, para esto se utilizó la plataforma de Eagle, en las figuras 3.17 y 3.18 se observa el esquemático y la board para generar un circuito impreso del sistema.. Figura 3.17: Esquemático del circuito electrónico (autor)..

(40) Figura 3.18: Board del circuito electrónico (autor).. Para la conexión del transformador, resistencia térmica y motor, se utilizaron conectores tipo borneras, ya que permiten una rapida y facil conexión de estos elementos al circuito impreso.. 3.3. 3.3.1.. DISEÑO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y LA INTERFAZ DE USUARIO Obtención de la función de transferencia del sistema. Para realizar un correcto secado del grano debe existir un flujo continuo de aire caliente, esto es un factor que determina el tiempo de secado que va a tener el producto, por el contrario, si el flujo de aire es reducido o no es continuo estarı́a cocinando el grano de café, pero no secándolo. Para tener un secado más uniforme dentro de la cámara de secado, el sistema de un interfaz el cual le notificara al usuario en que momento debe dirigirse al sistema, levantar el techo y revolver el café para distribuir mejor el aire caliente sobre cada uno de los granos del producto. Para poder generar un correcto flujo de aire caliente, sin realizar perdidas de aire y sin resecar el grano de café es necesario realizar alguna acción de control, pero antes del diseño de cualquier tipo de controlador, es necesario conocer la función de transferencia del sistema a tratar. Cuando se trata de sistemas conocidos y que son utilizados para la enseñanza del control automático, las funciones de transferencias de dichos sistemas están siempre disponibles. Por el contrario, cuando se desea realizar el diseño de un controlador para un sistema y este es un sistema fı́sico real, por lo regular se desconoce su función de transferencia, siendo un requisito indispensable conocerla para poder diseñar el control apropiado para este. La forma más usual de identificar a un sistema es aplicar en su entrada una excitación conocida, obtener la respuesta y después tratar de ajustar un modelo conocido a las particularidades del sistema sujeto a.

(41) la identificación. Las señales más frecuentemente usadas como excitaciones al hacer una identificación son: señal escalón y señal sinusoidal de amplitud constante y frecuencia variable La identificación hecha por medio de una función escalón se le conoce como identificación en tiempo, y a la identificación hecha por medio de señales sinusoidales se le conoce como identificación en frecuencia; aunque en ambos casos el objetivo sea determinar la función de transferencia que mejor describa el comportamiento del sistema. Cabe destacar que en la actualidad existen algoritmos computacionales que pueden obtener la función de transferencia de un sistema real con bastante precisión. 3.3.1.1.. Identificación en tiempo. Para realizar una identificación en tiempo, es necesario excitar el sistema por medio de una función escalón (de preferencia unitaria) y conocer la respuesta a esta excitación. La mejor manera de conocer la respuesta es contar con una gráfica adecuadamente escalada, en la que sea posible observar el curso temporal de la respuesta desde el momento de aplicar la excitación hasta el establecimiento del régimen permanente en el sistema. Una de las caracterı́sticas atractivas del método de identificación en tiempo es el hecho de que una señal escalón siempre es fácil de generar. Básicamente todos los procesos existentes en la naturaleza pueden clasificarse en dos tipos, sistemas de primer orden y sistemas de segundo orden (muchos de los sistemas de orden superior pueden ser aproximados a sistemas de segundo orden). Dentro de los cuales existen: respuestas sobreamortiguadas, respuestas subamortiguadas y sistemas inestables. Respuestas sobreamortiguadas: La respuesta tı́pica de estos sistemas no presenta sobreoscilación, esto quiere decir que nunca llegan al valor exacto de la consigna y, por lo tanto, son sistemas relativamente lentos. Esto se puede apreciar en la figura 3.19, se debe tener en cuenta que el sistema varı́a según la cantidad de polos existentes, conforme aumenta el número de polos la respuesta es más lenta, teniendo al inicio un arranque con mayor suavidad.. Figura 3.19: Respuesta de sistemas sobreamortiguados[14].. La función de transferencia de un sistema sobreamortiguado es el siguiente:.

(42) G(s) =. K (T1 S + 1)(T2 S + 1). Donde K es la ganancia del sistema, T1 y T2 son las constantes de tiempo. Un método simple para obtener las constantes de un tipo de sistema como este es primero aplicar el método de Strejc[48] y luego hacer ajustes en las constantes de tiempo a prueba y error, hasta obtener la respuesta lo más precisa posible. Respuestas subamortiguadas: Este tipo de respuestas presentan sobreoscilación y un periodo transitorio con oscilación, y se deben a sistemas con polos complejos conjugados. La mayorı́a de los sistemas industriales se comportan como un sistema de este tipo, que posteriormente el control pretende limitar parámetros como la sobreoscilación, tiempo de establecimiento y error en régimen permanente. La respuesta tı́pica de una función de transferencia de polos complejos se puede apreciar en la figura 3.20.. Figura 3.20: Respuesta de sistemas subamortiguados[14].. La función de transferencia de un sistema estándar de segundo orden está dada por la siguiente expresión: G(s) =. S2. Kwn2 + 2ζwn S + wn2. Donde K es la ganancia del sistema, wn la frecuencia natural del sistema y ζ el factor de amortiguamiento. Los parámetros que describen a este tipo de respuestas son los siguientes: mP = e. √. mp es el máximo sobreimpulso de la señal, de donde.. ζ 1−ζ 2. π.