PROYECTO DE GRADO
MEJORA DEL FLUJO DE AIRE DENTRO DE UN SECADOR SOLAR TIPO
HOHENHEIM PARA AUMENTAR LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
Harry Yasir Otálora Ortega
Correo:
[email protected]
Código: 201018324
Proyecto de grado para optar al título de Pregrado en Ingeniería Mecánica
Asesor:
Dr. Sc. M. Sc. Gregorio Orlando Porras Rey
Profesor Asociado
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
i
Dedico este trabajo a mis padres,
Ellos han sido los cómplices principales en esta aventura,
y son los que de verdad merecen los honores por este peldaño.
ii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco profundamente al profesor Orlando Porras por ser un guía en este
proyecto, por sus correcciones, ya que sin éstas el proyecto con muchísima
dificultad hubiese alcanzado estos resultados. A Omar Amaya y Juan David
Hernández técnicos de la universidad, por su colaboración incondicional en
este proyecto y brindarme su amistad a lo largo de mi pregrado.
Agradezco a mis padres por su constante motivación porque siempre fueron
los cerillos para encender la antorcha cuando el camino tendía a oscurecerse.
Agradezco profundamente a mis amigos quienes se pusieron como meta
alegrar los días en la universidad mientras aprendíamos los conceptos de la
ingeniería.Francisco, Santiago y Mariana, gracias por escucharme y
empujarme cuando se perdía el norte.
Finalmente a mi novia que me ha ayudado a clarificar las cosas en la vida y que
me apoyó en esta y mil facetas de este camino.
iii
Tabla de contenido
Índice de ilustraciones ... v
Índice de tablas ... vii
1 Introducción ... 1
2 Marco Teórico ... 7
2.1 Principios del secado ... 7
2.1.1 Presión parcial ... 7
2.1.2 Contenido de humedad ... 8
2.1.3 Psicrometría ... 8
2.2 Curvas de secado ... 10
3 Pruebas experimentales de los ventiladores ... 12
4 Cálculos del sistema de reducción de diámetro hidráulico ... 15
5 Diseño de detalle y manufactura ... 21
5.1 Diseño de detalle del difusor ... 21
5.2 Manufactura del difusor... 23
5.3 Manufactura del Forro ... 26
5.3.1 Manufactura de Deflectores Aerodinámicos ... 27
5.4 Montaje final del difusor ... 29
5.5 Manufactura de la reducción del diámetro hidráulico ... 31
6 Plan experimental ... 34
6.1 Objetivos experimentales ... 34
6.2 Experimento caracterización de secado ... 34
6.2.1 Características experimentales ... 35
6.2.2 Tratamientos ... 36
6.2.3 Montaje físico. ... 36
6.2.4 Estructura del experimento ... 37
6.2.5 Procedimiento experimental... 38
6.2.6 Procesamiento de datos ... 39
7 Análisis de resultados ... 40
7.1 Perfil de velocidad ... 40
7.2 Cinética de secado ... 41
7.3 Radiación Solar ... 43
iv
7.5 Humedad relativa del aire ... 46
7.6 Comparación directa de desempeño ... 48
7.7 Estudio estadístico de la magnitud y dirección del viento ... 50
7.8 Experimento 2: Modificación de las chimeneas ... 51
7.8.1 Diseño y manufactura ... 52
7.8.2 Velocidad dentro del flujo ... 53
7.8.3 Resultados experimentales y análisis de resultados ... 54
8 Conclusiones... 58
9 Recomendaciones ... 60
10 Bibliografía ... 61
11 Anexos ... 63
Anexo A: Análisis de varianza para dos factores (ANOVA 2 WAY) ... 63
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Índice de ilustraciones
Ilustración 1. Estratificación temperatura tomado de Gómez (4). ... 2
Ilustración 2. Fotografía del diseño de ventilación por Juan Sebastián Porras. Tomado de (2). ... 3
Ilustración 3. Placa colectora vista superior donde se observa la concentración del flujo en el diseño de Juan Sebastián Porras. ... 3
Ilustración 4.Cinética de secado de un secador solar tipo Hohenheim Izquierda: Secado por convección forzada. Derecha: Secado por convección natural. Tomado de (2). ... 4
Ilustración 5. Conexión en serie de los ventiladores en el proyecto de Porras. Tomado de (2) ... 5
Ilustración 6. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna de secador de convección forzada. Tomado de (2). ... 5
Ilustración 7. Diagrama psicrométrico (10). ... 10
Ilustración 8. Cinética de secado (9). ... 11
Ilustración 9. Velocidad de secado. (9) ... 11
Ilustración 10. Características eléctricas de los ventiladores JUILONG (11) ... 13
Ilustración 11. Curva característica de los ventiladores JUILONG (11) ... 13
Ilustración 12. Caracterización eléctrica prolongada de los ventiladores JUILONG ... 13
Ilustración 13. Caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores JUILONG ... 14
Ilustración 14. Esquema de deflector aerodinámico ... 16
Ilustración 15. Esquema de reducción constante del diámetro ... 16
Ilustración 16. Curva de operación del sistema con deflectores aerodinámicos ... 19
Ilustración 17. Curva de operación del sistema con reducción constante. ... 20
Ilustración 18. Esquema del comportamiento del aire dentro de la cámara de colección sin la aplicación de difusor ... 21
Ilustración 19. Ilustración esquemática del control del flujo sobre la placa colectora. ... 22
Ilustración 20. Vista isométrica del montaje del difusor. ... 22
Ilustración 21. Explosión del montaje del difusor ... 23
Ilustración 22. Conformado de piezas por deformación plástica en Dobladora CNC. ... 24
Ilustración 23. Verificación de medidas y preparación para la soldadura. ... 24
Ilustración 24. Sujeción temporal para la ubicación de remaches permanentes ... 25
Ilustración 25. Estructura del difusor envuelta en caucho espumoso. ... 25
Ilustración 26. Manufactura y soldadura de los forros. ... 26
Ilustración 27. Detalle de la soldadura de plásticos ... 26
Ilustración 28. Falla en el inicio de la soldadura. ... 27
Ilustración 29. Manufactura de los deflectores aerodinámicos. ... 27
Ilustración 30. Montaje de prueba para la verificación del campo de velocidades del difusor. ... 28
Ilustración 31. Corrección del soporte de los deflectores aerodinámicos y sujeción por abrazaderas plásticas. ... 29
Ilustración 32. a) Montaje de deflectores en CARTONPLAST. b) Montaje preliminar del difusor en el secador. ... 29
Ilustración 33. Montaje final de los difusores en los dos secadores. ... 30
Ilustración 34. Detalle de sujeción del forro al montaje final. ... 30
Ilustración 35. Marco de reducción de diámetro ... 31
Ilustración 36. Ensamble del marco y unión adhesiva ... 31
vi
Ilustración 38. Detalle de sujeción del plástico al marco de madera... 32
Ilustración 39. Paneles de reducción instalados dentro del secador. ... 33
Ilustración 40. Boceto conceptual del montaje experimental en el secador solar. ... 34
Ilustración 41. Diagrama de bloques del montaje ... 38
Ilustración 42. Perfil de velocidad a la salida del difusor ... 40
Ilustración 43. Cinética del secado experiencia 1. ... 41
Ilustración 44. Cinética del secado experiencia 2. ... 41
Ilustración 45. Cinética del secado experiencia 3. ... 42
Ilustración 46. Radiación solar total horizontal experiencia 1. ... 43
Ilustración 47. Radiación solar total horizontal experiencia 2. ... 44
Ilustración 48. Radiación solar total horizontal experiencia 3. ... 44
Ilustración 49. Temperatura del aire experiencia 1. ... 45
Ilustración 50. Temperatura del aire experiencia 2. ... 45
Ilustración 51. Temperatura del aire experiencia 3. ... 46
Ilustración 52. Humedad relativa del aire experiencia 1. ... 47
Ilustración 53. Humedad relativa del aire experiencia 2. ... 47
Ilustración 54. Humedad relativa del aire experiencia 3. ... 48
Ilustración 55. Comparación directa de los procesos de secado a la entrada. ... 49
Ilustración 56. Comparación directa de los procesos de secado a la salida. ... 49
Ilustración 57. Esquema de la disposición de los secadores y la dirección promedio del viento. .... 51
Ilustración 58. Izquierda: Situación esquemática actual de la chimenea. Derecha: Situación esquemática modificada de la chimenea. ... 52
Ilustración 59. Chimeneas en estado previo a la modificación. ... 53
Ilustración 60. Montaje de las modificaciones a las chimeneas. ... 53
Ilustración 61. Radiación Solar experiencia 4. ... 54
Ilustración 62. Temperatura experiencia 4 ... 55
Ilustración 63. Humedad relativa experiencia 4. ... 55
Ilustración 64. Cinética de secado experiencia 4. ... 56
Ilustración 65. Comparación directa entre los procesos. ... 57
vii
Índice de tablas
Tabla 1. Tabla comparativa de propiedades de operación de las propuestas de control de flujo ... 15
Tabla 2. Parámetros geométricos del deflector aerodinámico ... 17
Tabla 3. Lista de materiales Usados ... 23
Tabla 4. Relación de las variables medidas en el experimento de secado. ... 35
Tabla 5. Tabla de características del experimento ... 36
Tabla 6. Selección de instrumentos de medición... 37
Tabla 7. Velocidad media salida de cámara de secado. ... 53
Tabla 8. Datos ANOVA Magnitud del viento entrada ... 63
Tabla 9. Cuadro ANOVA Entrada Vs Magnitud velocidad ... 63
Tabla 10. Datos ANOVA Magnitud de viento salida ... 64
Tabla 11. Cuadro ANOVA Salida Vs Magnitud velocidad ... 64
Tabla 12. Datos ANOVA Dirección del viento entrada ... 64
Tabla 13. Cuadro ANOVA Entrada Vs Dirección del viento ... 65
Tabla 14. Datos ANOVA Dirección del viento salida ... 65
1
1
Introducción
Es innegable que la economía de Colombia tiene un componente agrícola importante, aunque actualmente se está impulsando otras economías emergentes, como las economías de extracción de recursos mineros, es imperativo dar una mirada al campo, y de cierta manera volver a las raíces, pero no de manera nostálgica sino como un reto de potenciar esta forma de subsistir y que, entre otras cosas, es la actividad que permite llevar comida a nuestros hogares.
Esto plantea un reto para los ingenieros de manera tal que se busquen métodos de optimizar los recursos naturales en pro de obtener procesos agroindustriales más competitivos tanto en mercados locales como internacionales. En este orden de ideas se plantea el mejoramiento del proceso de secado solar. El secado, como procesamiento post-cosecha, provee varias ventajas como: más largo tiempo de conservación de los productos, oportunidad de comercializar los productos cuando los precios del mercado son más favorables a los cultivadores, ahorro en costos de transporte pues los productos secos pesan menos que los frescos, aprovechamiento de parte de la producción en fresco que se pierde por pequeños defectos que el consumidor no quiere y que en muchos casos no se distingue en el producto seco, la seguridad alimentaria del mismo grupo de productores agrícolas, la apertura de nuevos mercados dadas la naturaleza diferente de los productos secos, etc.
La energía solar para el proceso de secado permite: mayor ingreso económico al productor agrícola debido al valor agregado que él mismo da a su producto, reducción del impacto ambiental negativo dada la naturaleza renovable de la fuente de energía que permitiría tener sellos ecológicos, el menor costo y mayor disponibilidad de la energía de la energía que permite a cualquier persona realizar estos procesos con bajas inversiones de capital, un aumento de la productividad de la tierra por cuanto se aprovecha espacio no utilizado en procesos agroindustriales, etc. Que se pone en práctica experimental parael caso particular del secado de almidón de achira.
La planta del sagú (Canna Edulis) se caracteriza, entre otras cosas, por haber evolucionado un rizoma que contiene una alta cantidad de almidones ricos en carbohidratos (1); en general estos rizomas son aprovechados por el hombre de diferentes maneras ya que se pueden fabricar harinas, almidones, bebidas en leche, panes, biscochos, etc. Sin nombrar los productos que se pueden lograr con el resto de la morfología de la planta (2).
Ahora bien, es necesario introducir al lector en el proceso que se sigue para la obtención del almidón de sagú. El proceso de obtención inicia cuando se realiza la cosecha de los rizomas de la planta para lo cual se cortan los tallos del cultivo y posteriormente se remueven los rizomas de la tierra para ser lavados. Donde pasan por un proceso de limpieza de tierra básicamente; en este momento se recogen los rizomas para retirarles unas raicillas y escamillas que contaminan la harina. Acto seguido se procede a tratar mecánicamente los tallos en un proceso de rallado que reduce un tallo compacto a partículas de tallo. Teniendo ya la biomasa particulada es necesario extraer el almidón de los rizomas previamente rallados. La idea es obtener lo que se denomina como la “lechada” que básicamente es agua con almidón en suspensión, esta se puede obtener de diferentes maneras, entre otras la adición de agua a la biomasa, con el fin de usar el agua como medio de transporte
2
para movilizar el almidón a unos tanques donde se espera que se sedimente (3). El paso por seguir es el de lavar el almidón tamizado pues este retiene algunas impurezas que afectan el precio del almidón en el mercado para lo cual se añade agua y se decanta el producto de manera tal que el agua sea el medio de transporte de las impurezas que reducen el valor del almidón (3).
Finalmente se seca el almidón de diferentes maneras. Básicamente el proceso de secado es simple: se busca extender el almidón en un área considerable con el fin que el calor evapore el agua y de esta manera se seque. Las formas de obtener calor pueden variar. Podrían utilizarse diferentes tipos de energía para convertirla en calor y de esta manera evaporar el agua. Lo más común es secar el producto por medio de la energía solar dejándolo a la intemperie aunque también se pueden adquirir secadores de combustión que operan con hidrocarburos o quemando biomasa. Sin embargo en Pasca (Cundinamarca) una finca implementó dos secadores solares tipo Hohenheim, fabricados por estudiantes de la Universidad de los Andes. Esta implementación tecnológica ha mejorado el proceso reduciendo los tiempos de secado del producto con un costo energético nulo ya que la energía solar es de acceso libre. Este beneficio se logra gracias a la absorción de energía solar mediante un colector que compone el secador. La energía se ve reflejada en el aumento de la temperatura del aire fluyente en el secador solar de manera tal que el agua que humecta el producto se evapora de manera más eficiente (4).
Ilustración 1. Estratificación temperatura tomado de Gómez (4).
Aunque contundentes, los resultados obtenidos en el proyecto de grado por Edwin Gómez (4) pueden ser objeto de mejoras sustanciales con el fin de tratar de resolver problemas de ingeniería
3
que se presentan dadas las características físicas del flujo de aire dentro del secador solar. Teniendo en cuenta que se observa en ese trabajo de manera puntual que el flujo se estratifica, es decir se presenta una diferencia de temperatura de entre 5°C y 10°C como se pueden ver en los resultados obtenidos por Gómez (4) en la Ilustración 1. El punto bajo se encuentra a nivel con el sagú mientras que el punto alto se encuentra 40 cm arriba del punto bajo. Dicho gradiente asociado a la temperatura se adjudica al régimen en el cual se encuentra el fluido, dado que para este experimento específico, el régimen de flujo era de transición. Este primer indicio sugiere que para mejorar el desempeño del secador se requiere manipular el flujo de manera tal que si bien no se pudiese eliminar este gradiente de manera definitiva se busque acercar el aire más caliente al producto.
Por otro lado se observa en el proyecto de grado de Juan Sebastián Porras (2) un diseño de ventilación forzada que no aprovecha toda la energía absorbida por la placa colectora de manera adecuada; los ventiladores concentran el flujo en un chorro de aire, que si bien tiene una velocidad considerable, se enfoca en una porción limitada de la placa colectora. La Ilustración 2 muestra el diseño original de Porras (2). Esta fotografía permite evidenciar que el flujo que se tiene dentro de la placa colectora tenderá a ser muy irregular e inadecuado, dado que inicialmente el flujo no tiene la capacidad de desarrollarse, y por otro lado está concentrado como se visualiza en la Ilustración 3.
Ilustración 2. Fotografía del diseño de ventilación por Juan Sebastián Porras. Tomado de (2).
Ilustración 3. Placa colectora vista superior donde se observa la concentración del flujo en el diseño de Juan Sebastián Porras.
4
Esta evidencia sugiere que el problema principal de este secador es control del flujo de aire, flujo que debe ser difundido a toda la extensión de la placa colectora, de manera tal que se aproveche de manera más eficiente la energía solar absorbida en el colector solar.
Otro detalle importante que debe ser atacado en este proyecto, ya que se encuentra en la línea directa de la ventilación, es el funcionamiento de los ventiladores como tal dado que la evidencia sugiere que el efecto de ventilación no está operando de manera adecuada. El primer indicio de la inadecuada ventilación fue la cinética de secado obtenida por Porras (2). En este proyecto Porras buscaba comparar el efecto de forzar el flujo en uno de los secadores y compararlo con el de convección natural. Aprovechando que contaba con dos secadores dimensionalmente iguales. Los resultados resultan sorprendentes porque, al parecer, no hay diferencia significativa entre los dos procesos tal como lo muestra la Ilustración 4. Este extraño resultado sugiere que hay un problema en el secador de convección forzada ya que, la ventilación, por un lado, debe mejorar la transferencia de calor entre la placa colectora y el aire de secado; por otro lado, mayor flujo de aire debe favorecer los procesos de transporte generados durante el proceso de secado.
Ilustración 4.Cinética de secado de un secador solar tipo Hohenheim Izquierda: Secado por convección forzada. Derecha: Secado por convección natural. Tomado de (2).
Otra evidencia que sugiere que existe un problema con ventilación es la tanto la conexión de los ventiladores como su consumo de corriente. La Ilustración 5 muestra la conexión que realizó Porras en su proyecto (2). La conexión de los elementos eléctricos debe ser en paralelo, ya que si por algún motivo se apaga uno de los dos el comportamiento del otro no se vea afectado y también porque la conexión en serie cambia los parámetros de funcionamiento ajustándose a las capacidades del circuito. Por otro lado el comportamiento del consumo de corriente registrado sigue un patrón que tiende ajustarse a la temperatura (ver Ilustración 6), la cual es función directa de la radiación solar. Esto quiere decir que los ventiladores estaban conectados directamente al arreglo fotovoltaico y no a las baterías que son una fuente de voltaje constante, tal como lo muestra Porras en la Ilustración 6. Este comportamiento inusual sugiere que hay un problema con los ventiladores dado que el comportamiento esperado de esta gráfica de corriente es una línea constante en el valor de placa del ventilador, no un valor que fluctúe. Este comportamiento por otro lado no tiene nada que ver con el hecho que el sistema que alimenta eléctricamente los ventiladores sea un arreglo fotovoltaico, puesto que las baterías suplen de energía el sistema en las horas de la noche y se recargan en las horas del día. Como tal las baterías son la fuente de voltaje directo de este sistema; entonces en este comportamiento se ve un funcionamiento inadecuado por parte de la carga que es la que impone los requerimientos de corriente dentro del circuito
5
Ilustración 5. Conexión en serie de los ventiladores en el proyecto de Porras. Tomado de (2)
Ilustración 6. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna de secador de convección forzada. Tomado de (2).
La tesis principal de este proyecto de grado es que la optimización del flujo de aire, mediante la corrección de las deficiencias mencionadas, puede mejorar el desempeño del secador. Se puede ver claramente que el fin de este proyecto es presentar una mejora sustancial al proceso que en términos específicos debería verse representado en el tiempo que tiene que pasar el producto dentro del secador.
En resumen, este proyecto de grado se dirigió hacia la ventilación forzada del producto, como se ha explicado en párrafos anteriores, dado que se tienen serias dudas que esta esté teniendo un efecto significativo en comparación con el proceso llevado a cabo por ventilación natural. Este trabajo se enfoca en tres características relevantes: la primera es la caracterización del funcionamiento de los ventiladores utilizados en (2) de manera tal que se pueda definir si su funcionamiento es el
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adecuado, refiriéndose tanto a la corroboración de su curva característica como su funcionamiento a largo plazo. Por otro lado se busca mejorar el control que se tiene sobre el flujo de aire que estos ventiladores proveen dentro del secador solar, y finalmente se trabajará en reducir el gradiente térmico experimentado en (4) de manera tal que se logre poner en contacto un aire más caliente con el producto que el que se está logrando actualmente. En apartes posteriores se encuentra la parte experimental del proyecto, ya que se requiere validar experimentalmente los cambios propuestos como mejoras al proceso de secado.
Por consiguiente, este proyecto de grado tuvo como objetivo principal lograr una mejora al flujo de aire dentro de un secador solar tipo Hohenheim para aumentar la transferencia de calor y masa dentro del proceso de secado. Para esto, fue necesario realizar la caracterización de los equipos de ventilación usados en el montaje, las cuales permitieron levar a cabo una comparación entre dos alternativas de solución para la mejora del proceso de secado. Posteriormente se seleccionó la opción más adecuada en términos energéticos, para finalmente manufacturarla y llevar a cabo su respectiva aplicación in situ, durante la que se tomaron los datos necesarios para realizar la caracterización de los patrones de flujo.
Finalmente se desarrolló un protocolo experimental que permitió estandarizar el proceso de experimentación y generar una comparación directa del desempeño de la alternativa seleccionada y la solución lograda hasta el momento.
El lector podrá encontrar en el capítulo 2 un marco referencial que explica los principios físicos que rigen los fenómenos del secado. También se encuentra en el capítulo 3 y 4 un espacio donde se toca el tema de la ventilación desde el punto de vista de los ventiladores y el desarrollo teórico del método de reducción de diámetro implementado. Por otro lado se muestra el diseño y la manufactura de la solución seleccionada en el capítulo 5. En el capítulo 6 se muestra de manera detallada el plan experimental desarrollado para estandarizar el procedimiento de toma de las mediciones como qué variables son interesantes para este experimento. De manera consecuente se desarrolla el capítulo 7 que reporta el trabajo experimental asociado a las modificaciones propuestas en capítulos anteriores. Dada la cantidad de información recopilada a lo largo de los experimentos se presenta tanto la información recopilada como el análisis pertinente de los resultados adquiridos. Finalmente se encuentra el capítulo 8 dedicado a las conclusiones y el capítulo 9 muestra las recomendaciones generales del proyecto.
7
2
Marco Teórico
La producción de harina de sagú exige un consumo importante de agua durante su fabricación; ésta agua que humecta el producto propicia a su vez el desarrollo de microrganismos que descomponen el producto y lo hacen no apto para el consumo humano. El método por excelencia para minimizar este problema es el de secado con aire húmedo caliente. Este capítulo se enfoca en exponer los principios que rigen el secado en general de sustratos sólidos.
2.1
Principios del secado
En un proceso de secado, el producto entrega al aire que lo envuelve el agua que se desea eliminar en forma de vapor (5). La cantidad de agua absorbida por el aire depende básicamente de dos cosas: el vapor de agua contenido en el aire al momento de iniciar el secado, y la cantidad máxima de agua que el aire puede recibir. Esta última es dependiente de la temperatura del aire; es decir a mayor temperatura mayor es la capacidad de recepción de agua por parte del aire. Aunque también la presión absoluta ejerce un efecto considerable, como se trata de un proceso al aire libre la presión atmosférica es constante por lo cual solo se toma en consideración el efecto de la temperatura.
Se entiende como secado la eliminación de humedad de una sustancia. Esta descripción resulta un poco amplia razón por la cual el secado se refiere única y exclusivamente a la extracción del humectante por medio de evaporación; ya que, se pueden extraer las sustancias humectantes por medio de tratamientos mecánicos como el prensado o el centrifugado; tal cual como ocurre con la ropa por ejemplo. Cuando se lava la ropa se puede exprimir y cierta parte del exceso de agua es removida o por otra parte se puede meter en una centrifugadora que extraiga también una parte del exceso de agua. Sin embargo, no se puede decir que una prenda está seca hasta que el agua, o la humedad de la prenda se evapora. (6)
2.1.1
Presión parcial
Es importante entender el concepto de presión parcial de manera tal que este permita más adelante comprender el concepto de humedad relativa. Cuando existen mezclas de sustancias, tal como el aire, que es una mezcla de diferentes gases como el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua; la presión total ejercida por el gas se puede entender como la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla. Es decir la suma de la presión parcial del nitrógeno, más la del oxígeno, más la del vapor de agua darían la presión total del aire húmedo. Dicho de otra forma la presión parcial también es la presión de un gas ideal si ocupara todo el volumen a la misma temperatura. (7)
Ahora la forma de calcular la presión parcial Pa de un gas componente de la mezcla es la presión
total PT multiplicada por la fracción molar Xa. La Ecuación 1 muestra la forma de calcular la presión
parcial del gas a mientras que la Ecuación 2muestra la forma de calcular la fracción molar, para la cual Na es la cantidad de moles del gas a y NTes la cantidad de moles totales de la muestra. (6)
𝑷𝒂= 𝑿𝒂𝑷𝑻 Ecuación 1.
𝑿𝒂 =
𝑵𝒂 𝑵𝑻
8
2.1.2
Contenido de humedad
El contenido de humedad es una magnitud que expresa la cantidad de agua en un material sólido, y se puede representar en términos de una base de masa seca o de una base de masa húmeda. Aunque ambas expresiones representan el contenido de humedad de una muestra, sus valores numéricos son distintos, por lo que al expresar el contenido de humedad sin indicar la base de masa, se puede incurrir en un error de interpretación. (8)
2.1.2.1 Contenido de humedad en base húmeda
Es el cociente entre la masa de agua dentro del material y su masa total (mT). Aquí, el contenido de
humedad representa el porcentaje de masa de agua que contiene la muestra con respecto a su masa total es decir la masa de agua es menor a la masa total del material. La definición de humedad en base húmeda permite identificar de manera intuitiva el punto en el cual el material solo está constituido por masa seca (0%) y punto en el que el material está constituido solo por agua (100%). Donde mS hace referencia a la masa seca de la muestra (8):
𝑋𝑏ℎ=
𝑚𝑇− 𝑚𝑠
𝑚𝑇 (100%)
Ecuación 3.
2.1.2.2 Contenido de humedad en base seca
Es el cociente entre la masa de agua en el material y su masa seca (mS). El contenido de humedad
en base seca compara la masa de agua que contiene un material sólido con su masa seca (8):
𝑋𝑏𝑠 =𝑚𝑇− 𝑚𝑠 𝑚𝑠
Ecuación 4.
2.1.3
Psicrometría
Se considera como aire a la mezcla de gases que constituyen la atmósfera terrestre (5); se tiene una composición basada en su volumen de nitrógeno 78%, mientras que tan solo contiene un 21% de oxígeno, otras sustancias en un 1% adicionalmente está el vapor de agua con un contenido variable de vapor de agua. Dado que el aire contiene este porcentaje de agua es denominado aire húmedo. La psicrometría estudia las propiedades termodinámicas de este aire.
Dentro del estudio de las propiedades termodinámicas del aire húmedo se tienen ciertas variables de especial interés típico para realizar los diagramas psicrométricos como se expone a continuación:
Temperatura de bulbo seco o la temperatura ambiente es la temperatura a la cual se encuentra la atmósfera más cercana al punto de interés.
Temperatura de bulbo húmedo es la temperatura mínima a la que puede llegar el aire debido a la evaporación del agua; también se puede ver como la temperatura que tiene un objeto húmedo rodeado de aire. La temperatura de bulbo húmedo es menor que la de bulbo seco excepto en la condición de rocío donde ambas temperaturas se igualan.
Punto de rocío es la temperatura en la que el vapor de agua contenido en el aire comienza a condensarse al ser enfriado a presión constante y con la cantidad de vapor de agua constante (9).
9
Dado que la cantidad de vapor de agua varía en la mezcla del aire como tal es necesario conocer la cantidad de agua que está contenida en el aire, este valor se puede representar como se muestra a continuación:
Humedad específica (ω) (9): Es el cociente entre la masa de agua contenida en el aire y la masa total de aire.
𝜔 =𝑚𝐻2𝑂 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒
Ecuación 5.
Humedad absoluta (ρH2O) (9): Es el cociente entre la masa de agua contenida en el aire y el volumen de aire.
𝜌𝐻2𝑂 = 𝑚𝐻2𝑂 𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
Ecuación 6.
Humedad relativa (RH) (9): Es el cociente entre la humedad contenida en el aire con respecto a la máxima humedad que puede ser contenida por el aire a determinada temperatura y presión total; ésta se puede hallar en términos de la presión de vapor saturado como se muestra en la Ecuación 7, donde se puede ver que P es la presión parcial a la que se encuentra el vapor de agua y Psates la presión de vapor saturado a determinada
temperatura.
𝑅𝐻(%) = 𝑃 𝑃𝑠𝑎𝑡
Ecuación 7.
2.1.3.1 Diagrama psicrométrico
El diagrama psicrométrico es un diagrama específico para cada presión atmosférica que corresponde a la presión total del aire húmedo, el cual contiene los principales parámetros termodinámicos del aire húmedo. Se muestra en la Ilustración 7.
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Ilustración 7. Diagrama psicrométrico (10).
Para conocer el estado termodinámico del aire mediante el diagrama psicrométrico se requiere conocer tres parámetros independientes. En términos generales, uno de estos parámetros es la presión para obtener la carta correcta. Teniendo dos parámetros, como por ejemplo la humedad relativa y la temperatura seca, se puede ubicar un punto en la gráfica que permite averiguar los parámetros relacionados faltantes.
2.2
Curvas de secado
Las curvas de secado muestran el comportamiento del producto en cuanto a la desorción de agua se refiere. Por un lado se tiene la curva de cinética de secado la cual es simplemente la representación del contenido de humedad en función del tiempo. Cabe resaltar que la humedad reportada puede ser base húmeda o en base seca según desee el experimentador. Para fines prácticos de este escrito se reportarán dichas humedades en base húmeda.
La Ilustración 8 muestra el proceso común de secado constante, es decir que la temperatura del aire, la humedad y la velocidad del aire húmedo de secado se mantiene constate a lo largo del proceso de secado. Durante la primera etapa de secado en la zona A-B Ilustración 8, el producto se encuentra con una capa delgada de líquido en la superficie de los poros a una presión de vapor menor a la de saturación debido a que el aire no ha transmitido suficiente calor al producto para alcanzar su punto de evaporación. Por esta razón la velocidad de secado en la zona A-B aumenta hasta que alcanza la velocidad crítica de secado vcr cuando la humedad es removida a una tasa de
secado constante, Ilustración 9 (9). Por otro lado, la humedad libre no está adherida a las paredes del medio poroso sino que está en los intersticios o poros del mismo. Durante la zona C-D se
11
remueve esta humedad a una velocidad decreciente. Si el proceso de secado continúa el producto alcanza el contenido mínimo de humedad llamado contenido de humedad en equilibrio Xeqdonde el proceso de secado de detiene totalmente, es decir, su velocidad se vuelve nula (9).
Ilustración 8. Cinética de secado (9).
12
3
Pruebas experimentales de los ventiladores
En el trabajo de Juan Sebastián Porras (9) se reportan ciertos problemas de operación de los ventiladores marca PAPST® que se explican a continuación: se evidenciaron irregularidades, pues la velocidad de rotación de las aspas no era estacionaria, todo lo contrario tendían a presentar una oscilación aparentemente periódica en el montaje propuesto. A este comportamiento debe sumársele que la conexión en serie de los ventiladores (9) cambia los parámetros de operación del ventilador. Esta conexión se propuso ya que en la finca se cuenta con un sistema fotovoltaico con un arreglo de baterías de 24 VDC ya que los ventiladores operaban a 12 VDC si se conectan en serie se generaba un divisor de voltaje que resulta en el voltaje de operación de los ventiladores.
El error de conexión explica de cierta manera el comportamiento inadecuado observado en campo; dado que el diseño de conexión de redes eléctricas es en paralelo, para que en caso de la interrupción de uno de los componentes no afecte el otro; por otro lado los parámetros que reporta el equipo en la placa son valores de voltaje y corriente para conexión en paralelo. Al momento en el que se cambia a serie, claramente, y para cumplir con los requerimientos de potencia la corriente del circuito cambia y no es la corriente de placa, haciendo que los ventiladores tengan un comportamiento inadecuado.
Al revisar el tema expuesto anteriormente, se encuentra que los ventiladores siguen teniendo un comportamiento inadecuado. Al estudiar el catálogo de los ventiladores se encuentra que estos cuentan con un sistema de control de velocidad de giro del rotor, el cual no había sido tomado en cuenta hasta el momento para las conexiones realizadas. Contactos vía correo electrónico con el fabricante develaron la manera correcta de conectar los ventiladores para asegurar, según el sistema de control, la máxima velocidad de rotación de los ventiladores. Estos equipos cuentan con unas entradas extra de voltaje que pueden variar entre 0 VDC y 12 VDC al ingresar voltaje por estas entradas el sistema de control se alimenta e indica al rotor a qué velocidad de giro debe operar. Al no conectar estos cables se indicaba al ventilador que la velocidad de rotación era la mínima pero al ingresar un voltaje de 12 VDC se indicaba que la velocidad de giro era la máxima. Sin embargo el comportamiento erróneo parece empeorar, si bien el consumo de corriente de los motores no es estacionario, tiene ahora un comportamiento aleatorio. Con picos de corriente de 2,6 A y velocidades de rotación de 3100 rpm justo como lo reporta la placa. Sin embargo este comportamiento no duraba más que un instante, y la corriente se caía tanto que en algunos casos el ventilador se apagaba.
Teniendo en cuenta que se atacan todos los posibles errores de conexión, y se realizan pruebas en laboratorio, con todos los parámetros eléctricos controlados se concluye que los ventiladores usados por Porras (9) se encuentran averiado. Cabe resaltar que cuando estos ventiladores fueron adquiridos no eran nuevos, se pudieron haber adquirido con fallas en el sistema de control.
Habiendo descartado los ventiladores marca PAPST® era necesario adquirir unos ventiladores nuevos de manera tal que se desarrollara un sistema de ventilación adecuado para el proceso de secado. Los cálculos hidráulicos desarrollados para la selección de los ventiladores se muestran en el capítulo siguiente.
Se adquiere un par de ventiladores marca JUILONG de referencia 33550. Estos ventiladores fueron adquiridos en la empresa Eléctricas Bogotá que suministra con la cotización de la compra la hoja
13
característica del equipo que se está adquiriendo. Este documento muestra tanto detalles geométricos del equipo como detalles técnicos de operación que son mostrados en la Ilustración 10. La curva característica del ventilador es mostrada en la Ilustración 11.
Ilustración 10. Características eléctricas de los ventiladores JUILONG (11)
Ilustración 11. Curva característica de los ventiladores JUILONG (11)
Con el fin de confirmar los datos reportados por el fabricante, se realizó un experimento de corroboración de funcionamiento que mide el desempeño de los ventiladores por un periodo de dos horas, de manera que se pueda definir si las condiciones reportadas son también estacionarias (ver Ilustración 12)
Ilustración 12. Caracterización eléctrica prolongada de los ventiladores JUILONG
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
123 123,5 124 124,5 125
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo [min]
Co
rr
ien
te
[A]
Vo
lt
aj
e
[V]
Características Eléctricas
14
Por otro lado se realiza también una caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores, ya que esta es una característica que influye directamente en el caudal que aportan los ventiladores.
Ilustración 13. Caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores JUILONG
Se aprecia en la Ilustración 13 una diferencia cercana al 10% en las características de desempeño de uno y otro ventilador. Esta diferencia puede estar consecuencia de detalles de manufactura, ya que estos ventiladores son nuevos. Por otro lado se observa un comportamiento estacionario en el tiempo que es el deseado de manera que se tenga una ventilación constante durante el proceso de secado.
Si bien se evidencia la diferencia mencionada en el párrafo anterior se presenta un caudal de entrada al secador muy parecido para ambos sistemas de ventilación, como se puede evidenciar en el capítulo de resultados y análisis de resultados.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 20 40 60 80 100 120
Ve
locid
ad
d
e r
o
ta
ción
[
RPM]
Tiempo [min]
Velocidad de rotación
15
4
Cálculos del sistema de reducción de diámetro hidráulico
Ahora bien, dados los hallazgos descritos en el capítulo anterior se requiere de la compra de un ventilador nuevo, lo cual exige realizar los cálculos de pérdidas dentro del ducto para la selección apropiada del equipo. Hay que tener en cuenta que se plantea el desarrollo paralelo del estudio para una reducción del diámetro hidráulico constante (ver Ilustración 15) y para la aplicación de 6 deflectores aerodinámicos (ver Ilustración 14).
El cálculo del sistema inicia con unos parámetros de diseño. Básicamente es la velocidad de flujo dentro del secador, la cual se estipula como 2 m/s. Con este dato se procede a calcular el número de Reynolds Ecuación 8 y Ecuación 15 teniendo en cuenta los parámetros de operación del ventilador en Pasca Cundinamarca (12):
Tabla 1. Tabla comparativa de propiedades de operación de las propuestas de control de flujo
Propiedades del sistema
Deflectores Aerodinámicos (da) Reducción Constante (rc)
ρ@2180msnm&15.4°C= 0,937 kg/m3. V = 2 m/s.
μ@1Atm&14.5°C= 1,78X10-5Pas
DH = 4 A P-1 = 0,392m DH = 4 A P-1 = 0,246m.
𝑅𝑒𝑑𝑎 =𝜌𝑉𝐷𝐻
𝜇 = 41250
Ecuación 8.
Dado que el flujo que se usa convencionalmente en este tipo de máquinas presenta un gradiente de temperatura como es natural, puesto que las velocidades del fluido no son altas y en consecuencia se trabaja en regímenes de transición, se le permite al aire “organizarse” y estratificarse, generando un gradiente de temperatura donde su valor mínimo es el cercano al producto y su valor máximo está encima por la diferencia de densidades. Por lo anterior planeó poner unos deflectores aerodinámicos que obliguen al flujo seguir una ruta predeterminada, de manera tal que el aire caliente descienda dentro del túnel y el producto tenga la oportunidad de interactuar con aire a mayor temperatura. Esto claramente genera una pérdida de carga dentro del sistema hidráulico, puesto que estos deflectores aerodinámicos como tal presentan una reducción del área transversal del ducto. La Ilustración 14 presenta una vista esquemática de un tramo del túnel del secador, mostrando los deflectores aerodinámicos propuestos. Por otro lado, y como se indicó previamente, se plantea también desarrollar una sola reducción de diámetro constante (ver Ilustración 15) que limite la altura del ducto; así el gradiente de temperatura tiene que reducirse. Por otro lado se cuenta con el efecto de la turbulencia que “como es natural” tenderá a mezclar naturalmente el fluido obteniendo una temperatura más homogénea a lo alto del ducto.
16
Ilustración 14. Esquema de deflector aerodinámico
Ilustración 15. Esquema de reducción constante del diámetro
Teniendo en cuenta lo anterior se plantea pues el estudio de las pérdidas por accesorios dentro del ducto del secador. Para el caso de los deflectores aerodinámicos se procede de la siguiente manera: el cálculo de estas pérdidas se estima como un cambio de sección como se ha dicho anteriormente; por lo cual, la Escuela de Ingeniería de Antioquia (13) presenta una forma de hallar la constante de pérdidas de este accesorio. Dentro de la geometría desarrollada por la estructura del secador, se tiene una longitud de 4 m en la cámara de secado y un ancho de 1,4 m, donde caben 12 bandejas en dos filas de 6 una delante de la otra. Ésta zona de secado cuenta con tres costillas que dividen la cámara de secado en tres zonas de 1,3 m de longitud por 1,4 m de ancho cada una. Tomando como base esta zona se podría decir que en esta división de la cámara de secado caben 4 bandejas una al lado de la otra y una delante de la otra. Como se tiene una zona rectangular divida en 4 espacios rectangulares a su vez es necesario que cada fila de bandejas, es decir, las bandejas que están acomodadas una al lado de la otra, cuente con un deflector aerodinámico que haga descender el flujo a todas las bandejas. Por lo cual se procede a hallar las dimensiones del deflector aerodinámico.
Para que el secado de todas las bandejas sea igual se puede direccionar el extremo del deflector a la mitad de la bandeja, con el fin de lograr que la mitad de la bandeja interactúe con flujo descendente y la otra mitad con flujo ascendente. Por lo anterior se puede calcular la longitud del deflector aerodinámico y además el ángulo θ que muestra la Ilustración 14. Dicho ángulo es fundamental para calcular el factor de pérdidas locales K (13).
Se fija una altura de 0,15 m de manera arbitraria como diferencia entre la bandeja y el extremo inferior del deflector, se puede obtener las dimensiones del deflector aerodinámico triangular como lo muestra la Tabla 2.
17
Tabla 2. Parámetros geométricos del deflector aerodinámico
Base [m] 0,93 Altura[m] 0,3 Ángulo θ [°] 42
Con estos datos geométricos se puede obtener el factor de pérdidas locales K (13) que se presenta en la Ecuación 9
.
𝐾@42°= 0,292 Ecuación 9.
Con este factor de pérdidas se calcula la cabeza de pérdidas locales como lo muestra la Ecuación 10.
𝐻𝑙 = 6𝐾 (𝑉2
2𝑔) = 0,357 𝑚
Ecuación 10.
Se plantea desarrollar un deflector que ayude al aire a subir lentamente pues una ampliación gradual presenta menos pérdidas que una ampliación abrupta. Se utiliza el espacio entre deflectores descendentes ubicar los deflectores ascendentes. Las pérdidas por este accesorio se modelan como una ampliación gradual, las cuales son calculadas como sugiere (14) y se muestran en la Ilustración 14. Esquema de deflector aerodinámico. Como se puede ver entonces el ducto estaría reducido a una conexión de accesorios por lo que calcular las pérdidas por fricción resulta erróneo dado que se estaría sobrestimando la carga. Ahora bien se procede a calcular la cabeza de pérdidas por ampliación de los deflectores mediante la Ecuación 11. que requiere los siguientes parámetros:
A1: Área menor = 0,173 m2 A2: Área mayor = 0,297 m2 K∞@42°: Coeficiente de grado = 0,92
V: Velocidad en el ducto mayor
𝐻𝑎𝑑 = 6 ((𝐴𝐴1
2) 2
− 1𝐾∞𝑉2
2𝑔 ) = 0, 197𝑚
Ecuación 11.
Cabe resaltar que tanto la Ecuación 10. cómo la Ecuación 11. están multiplicadas por 6 dado que se piensa ubicar 6 deflectores de reducción y ampliación respectivamente.
Sólo resta calcular las pérdidas por el difusor de fluido del ventilador antes de ingresar a la cámara de colección (ver Ilustración 15), de manera tal que se tengan todos los requerimientos de energía, con el fin de hallar la cabeza total del sistema. A continuación la Ecuación 12 muestra cómo se calculan las pérdidas por expansión (Ha). Teniendo en cuenta un ángulo de 30° de ampliación (14).
Los parámetros de esta ecuación son:
A1: Área menor = 0,0082 m2 A2: Área mayor = 0,29 m2 K∞@30°: Coeficiente de grado = 0,7
V: Velocidad en el ducto mayor
𝐻𝑎= (𝐴1 𝐴2− 1)
2
𝐾∞𝑉2
18
Para concluir este procedimiento se desea el resultado de la cabeza total del sistema el cual está consignado directamente en laEcuación 13. Ahora bien con esta cabeza se puede hallar la potencia requerida por el ventilador en el mejor punto de operación del mismo, ya que se tiene el caudal de trabajo y la presión requerida por el sistema.
𝐻𝑇 = 𝐻𝑙+ 𝐻𝑎𝑑+ 𝐻𝑎= 0,691𝑚 Ecuación 13.
Ahora es necesario calcular la ecuación característica del sistema que se muestra en la Ecuación 14. Es importante mencionar que la parte derecha de esta igualdad solo sirve para esta aplicación específica y que el caudal debe ser ingresado en [m3/s] para que sea dimensionalmente correcta.
𝑉2
2𝑔∑ 𝐾 = 𝐻𝑠𝑖𝑠= 1,1048 𝑄2
Ecuación 14.
Por otro lado, se trabaja en el cálculo del ducto para la reducción constante. Para este caso el número de Reynolds se muestra a continuación:
𝑅𝑒𝑟𝑐 =𝜌𝑉𝐷𝐻
𝜇 = 25907
Ecuación 15.
Teniendo como base el diagrama de Moody se puede ver que el sistema se diseña en un régimen turbulento para este caso, al igual que la propuesta de deflectores, lo cual es adecuado para mejorar la transferencia de calor y masa dentro del proceso de secado. Los materiales que se van a manejar en el ensamble son la madera y polietileno multicapa, de los cuales se obtuvo la rugosidad absoluta en (15). La madera está puesta en la estructura del secador es decir donde se soportan las bandejas y el plástico es la cubierta del secador.
ε Plástico= 0,0015 mm ε Madera = 0,5 mm ε prom = 0,25075 mm
Dado que es poco común tener un ducto de diferentes materiales, lo que se plantea es promediar las rugosidades de manera tal que se pueda obtener un valor representativo con el cual realizar los cálculos de la rugosidad relativa en la aplicación de reducción constante mediante la Ecuación 16. Para continuar con el factor de fricción calculado con la Ecuación 17, dado que el sistema de deflectores plantea una serie de ampliaciones y reducciones; la tubería irregular correspondiente se calcula de manera paralela.
( 𝜀
𝐷𝐻)𝑟𝑐 = 0,001
Ecuación 16.
𝑓𝑟𝑐 = 0,03 Ecuación 17.
𝑓𝑑𝑎 = 0,024 Ecuación 18.
Por lo cual la cabeza de pérdidas por fricción del sistema de reducción constante está dado por la Ecuación 19
.
𝐻𝑓 = 𝑓𝑙𝑉
2
𝐷𝐻2𝑔= 0,149 𝑚
19
Ahora se procede a calcular las pérdidas por la reducción inicial la cual se encuentra a un ángulo de 42° como se muestra en la Ecuación 20.
𝐻𝑙𝑟𝑐= 𝐾 (
𝑉2
2𝑔) = 0,059 𝑚
Ecuación 20.
Se procede ahora a calcular la cabeza de pérdidas por la ampliación inicial del difusor de entrada en la Ecuación 21.
𝐻𝑎𝑟𝑐= ((𝐴𝐴1
2− 1) 2
𝐾∞𝑉2
2𝑔) = 0,133 𝑚
Ecuación 21.
Para finalmente lograr la cabeza total de pérdidas de que se muestra en la Ecuación 22.
𝐻𝑡𝑟𝑐 = 𝐻𝑓+ 𝐻𝑙𝑟𝑐+ 𝐻𝑎𝑟𝑐 = 0,545𝑚 Ecuación 22.
Con estos datos se puede calcular la ecuación característica del sistema mediante la Ecuación 23. Es importante mencionar que la parte derecha de esta igualdad solo sirve para esta aplicación específica y que el caudal debe ser ingresado en [m3/s] para que sea dimensionalmente correcta.
(∑ 𝑓 𝛷ℎ+ 𝐾)
𝑉2
2𝑔= 𝐻𝑠𝑖𝑠= 2,84𝑄2
Ecuación 23.
Ilustración 16. Curva de operación del sistema con deflectores aerodinámicos
Con estos datos técnicos se ha decido adquirir un ventilador AC de 38W de potencia eléctrica. Con base en las en las curvas características del ventilador otorgadas por el fabricante se puede construir la Ilustración 16 y la Ilustración 17. Estas gráficas permiten comparar las alternativas presentadas para decidir cuál es más adecuada. Ambas ilustraciones están basadas en la curva característica del ventilador (Cabeza Estática).
0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Po ten cia H id rá u lic a [W] Cab eza [m ] Caudal [m^3/s]
Deflectores Aerodinámicos
20
Ilustración 17. Curva de operación del sistema con reducción constante.
Dado que la solución propuesta de deflectores implica más pérdidas de carga al sistema, la curva del sistema para este caso tiende a ser más horizontal que la propuesta para el sistema de reducción (comparar Ilustración 16 con Ilustración 17). Por otro lado, el ventilador entrega una potencia hidráulica al fluido cercana a 1,7W para la propuesta de deflectores y de 2W para la propuesta de reducción constante. Esto quiere decir que la solución de reducción constante es una aplicación más eficiente que la de deflectores aerodinámicos. Además lado esta solución presenta una manufactura más simple que la de deflectores y pueden ser montada y desmontada más fácilmente. Sumado a esto el sistema de reducción constante presenta la ventaja que las bandejas tienen el flujo en una condición constante durante toda la cámara de secado, es decir que el proceso de secado es homogéneo a lo largo de la bandeja. Mientras que el sistema de deflectores presenta variaciones en el flujo pues el aire sube y baja dentro del ducto y probablemente el secado a lo largo de la bandeja no va a ser homogéneo.
En síntesis se ha mostrado en este capítulo que la ventilación forzada ejecutada por Porras (9) no fue efectiva pues los ventiladores se encuentran dañados. Razón por la cual se hacen los cálculos del ducto, con el fin de adquirir unos ventiladores apropiados y así lograr una velocidad de 2m/s en el interior del ducto. En paralelo se ponen en consideración dos posibilidades de diseño que fueron evaluadas en términos energéticos, de manufactura y beneficios al proceso de experimentación. Paso seguido se enfocan los esfuerzos posteriores al diseño detallado y manufactura de esta solución. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Po ten cia h iráu lic a [W] Cab eza es tá tica [m ] Caudal [m^3/s]
Reducción Constante
21
5
Diseño de detalle y manufactura
Teniendo en cuenta el desarrollo del concepto como tal escogido previamente ahora es necesario generar un diseño de detalle del sistema de difusión y del sistema de reducción del diámetro hidráulico de la cámara de secado. Una restricción que existe para este diseño mecánico es la cuestión del material. Este diseño debe ser implementado en aluminio por las propiedades del material, como la densidad, el precio y sobretodo la resistencia a la intemperie.
Los elementos que se tengan que construir deben ser con geometrías simplificadas y materiales resistentes a los trajines agropecuarios. Por ejemplo el vidrio resulta tener mejores propiedades de transmitancia térmica en comparación con el plástico de invernadero. Sin embargo, en diseños anteriores se ha utilizado el plástico de invernadero para la cubierta del secador porque el vidrio tiende a romperse cuando objetos caen sobre el secador. En general lo que se busca es generar una tecnología que permita una manufactura que esté al alcance de los pequeños productores agropecuarios y acorde con su entorno tecnológico y comercial que además permita una muy buena integridad estructural.
5.1
Diseño de detalle del difusor
Los hallazgos de Porras (9) junto con los presentados en apartes anteriores de este escrito, sugieren desarrollar un aditamento complementario que permita usar de manera más eficiente la energía reunida por el colector solar del secador. Las restricciones de diseño de éste dispositivo son simples: la primera es que el difusor debe ser removible porque dentro de otros proyectos se planea hacer pruebas en ventilación natural y este desarrollo no debe ser un impedimento para llegar a resultados en dicha condición de ventilación. La segunda es que la estructura desarrollada sea manufacturada en aluminio. Finalmente en la medida de lo posible la estructura debe ser desarmable, de tal manera que su transporte se facilite al máximo.
Este dispositivo se desarrolla en aras de mejorar la ventilación dentro de la cámara de colección. Como muestra la Ilustración 18, el fluido se movía en dos flujos concentrados proyectados en el eje de cada ventilador tal como ocurre en el prototipo desarrollado por Porras (9). Este comportamiento afecta la eficiencia energética de la máquina pues se presentan zonas sin flujo dentro de la cámara de colección. Es decir todo el espacio sobre la placa de colección en el cual no se desarrolla un flujo aprovechable de aire. Entonces una pequeña cantidad de aire caliente pasa sobre el producto y se está desperdiciando toda la energía de las zonas de la placa en las que el flujo no es aprovechable.
22
Si se permite desarrollar el flujo forzado por los ventiladores, y a su vez se instala un dispositivo de ampliación paulatina del diámetro hidráulico (Difusor) se logra controlar el movimiento del aire a lo largo de todo el ducto. Esquemáticamente la Ilustración 19 muestra el movimiento ideal del aire dentro de la placa colectora. El perfil de velocidad es aproximadamente como lo muestra la Ilustración 19, ya que en los bordes de los ductos la velocidad tiende a cero y es máxima en el centro del ducto.
Ilustración 19. Ilustración esquemática del control del flujo sobre la placa colectora.
Teniendo en cuenta lo anterior se procede a desarrollar un CAD (DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR según sus siglas en inglés) o un diseño de detalle de cada uno de los componentes que van a integrar el difusor. La Ilustración 20 muestra una vista isométrica del montaje completo detallado utilizado como base para la manufactura del mismo. Mientras que la Ilustración 21 muestra una explosión de los subsistemas que componen el difusor. El ANEXO B muestra los planos de detalle de todas las partes del montaje.
23
Ilustración 21. Explosión del montaje del difusor
5.2
Manufactura del difusor
Teniendo en cuenta los planos de manufactura desarrollados en el ANEXO B se compraron los materiales y se manufacturó el difusor. Los materiales utilizados en este difusor se encuentran relacionados en la Tabla 3.
Tabla 3. Lista de materiales Usados
Descripción Material Cantidad Longitud Precio total (2014
IVA incluido)
Ventilador 38 W N/A 2 N/A $61.000
Tubería sanitaria 6” PVC 2 1.5 m $76.000
Platina 2”X3/16” (Al) Aluminio 1 6 m $52.000
Platina 2”X1/8” (Al) Aluminio 1 3 m $20.000
Ángulo 1”X1/8” Aluminio 1 1 m $6.000
Tubería Cuadrada 1” Aluminio 4 1 m $16.000
Tubería cuadrada 7/16” Aluminio 4 0,6 m $12.000
Eje sólido 1” Aluminio 4 0,25 m $5.000
Abrazadera para tubería 6”
Acero Galvanizado 4 N/A $10.000
Abrazadera para tubería 8”
Acero Galvanizado 2 N/A $10.000
Eje sólido 180mm Polietileno de alta densidad
1 0,11 m $30.000
Remaches POP 1/8”X1/2”
Aluminio 50 N/A $2.000
Remaches pop 3/16”X1/2”
Aluminio 25 N/A $3.000
Caucho Espumoso 50mmX10mm
Caucho espumoso 1 10 m $50.000
Plástico de invernadero N/A 1 3 m $50.000
Pegamento de contacto (BOXER®)
24
La manufactura de varios componentes del difusor requiere del doblado de platinas rectas previamente cortadas a la longitud adecuada. Este proceso de conformado se realiza en una dobladora CNC con el fin de asegurar la precisión en los ángulos requeridos para el montaje. La Ilustración 22 muestra un ejemplo del proceso de conformación de la costilla menor (Refiérase al ANEXO B).
Ilustración 22. Conformado de piezas por deformación plástica en Dobladora CNC.
Con todas las piezas plenamente cortadas y dobladas se pasa a verificar las medidas y a corregirlas en caso de ser necesario porque el proceso de doblado deforma un poco las piezas en sentidos que no son deseados. La Ilustración 23 muestra cómo se sobrepusieron las piezas para verificar sus medidas y proceder con la soldadura de los subensambles.
Ilustración 23. Verificación de medidas y preparación para la soldadura.
Luego de realizar los procesos de soldadura pertinentes a los subensambles. Se prosigue con la ubicación de los soportes estructurales de los difusores para marcar y realizar agujeros de los elementos de sujeción permanentes como lo muestra la Ilustración 24. Teniendo la estructura
25
terminada de ambos difusores se coloca el caucho espumoso sobre la estructura de aluminio. Este caucho permite proteger el forro plástico del difusor de la estructura metálica pues el contacto directo del plástico con el aluminio tiende a rasgar el plástico en los puntos de contacto. (Ver Ilustración 25).
Ilustración 24. Sujeción temporal para la ubicación de remaches permanentes
26
5.3
Manufactura del Forro
Con la estructura terminada el paso por seguir es manufacturar el forro del difusor. Que en unión con la estructura es el ducto por el cual se va a difundir el flujo desarrollado del ventilador. El forro fue cortado a medida para cada uno de los difusores en plástico de invernadero. Esto permite que el forro ajuste de la mejor manera a cada difusor por separado. La Ilustración 26 muestra cómo se realizó el corte de las piezas del forro.
Ilustración 26. Manufactura y soldadura de los forros.
Se propone realizar la sujeción entre los cortes de plástico por medio de una soldadura lograda de la siguiente manera: a cada corte se le deja un excedente de material de 1 cm de manera perimetral de tal forma que se junten los excedentes de los dos cortes que se van a soldar. El cordón de soldadura o costura se logra por medio de una pistola de calor que impulsa aire caliente a una temperatura superior a la temperatura de fusión del plástico (110°C) y menor a la temperatura de degradación térmica del polímero (190°C) (16). La acción de la temperatura en el plástico hace que este se recoja y cambia a fase líquida, al estar ambas pestañas o excedentes en fase líquido se funden en una sola y de esta manera se logra la soldadura como se muestra en la Ilustración 27.
27
El proceso de soldadura presenta una resistencia adecuada en la mitad de la costura. Sin embargo se evidencia un punto débil en el inicio de la costura. Esta debilidad afecta el desempeño mecánico del forro porque cuando se monta en la estructura este se rasga en esa zona y la falla se propaga por el cordón de soldadura (ver Ilustración 28). Este problema se soluciona reforzando la costura con una cinta adhesiva plástica resistente a la radiación UV y con refuerzo de tela.
Ilustración 28. Falla en el inicio de la soldadura.
5.3.1
Manufactura de Deflectores Aerodinámicos
Los deflectores aerodinámicos son unas divisiones que se realizan dentro del ducto de manera que se obliga al aire a tomar caminos distintos. Estos deflectores son una forma de asegurar que el flujo se reparte a lo ancho de la sección transversal de entrada. El proceso de manufactura de los deflectores aerodinámicos se realizó en dos etapas: la primera fue una etapa de diseño y prueba de materiales. Inicialmente se planeó desarrollar estos deflectores aerodinámicos en el plástico de invernadero usado para la manufactura del forro. Sin embargo unas sencillas pruebas demostraron que el uso de este material dificultaba mucho el proceso de tensión del plástico. Entonces se pasó a utilizar un material más rígido como lámina de PET de 1 mm de espesor como se puede ver en la Ilustración 29.
28
Esta etapa preliminar sirvió para desarrollar un diseño más robusto y definitivo. Los problemas asociados a los deflectores de PET son los siguientes: este material es enrollado para su almacenamiento y es muy rígido. Entonces cuando se desenrolla y se realiza el corte la pieza sigue enrollada como se muestra en la Ilustración 29. Inclusive si se usan medios de sujeción temporales como los hombre solos se puede ver que el deflector no queda del todo recto. Este detalle en principio se pensó que iba a ser despreciable. Sin embargo, se logró constatar por medio de medición directa que la forma curva que tomaba el deflector generaba un patrón de flujo no deseado. Mostrando valores cercanos a 0,2 m/s en casi toda el área transversal del difusor, pero con un punto de concentración del flujo con velocidades que rodean los 2,4 m/s.
Claramente este comportamiento es indeseado pues, si bien se espera que la velocidad no sea constante a través del área de salida del difusor, por lo menos se espera cierta simetría en el patrón de flujo. La Ilustración 30 muestra el montaje en laboratorio del difusor con la tubería de desarrollo y el ventilador. Obsérvese que el deflector aerodinámico presenta una trayectoria curva entre soportes y es este error de manufactura la causa del funcionamiento inadecuado de esta propuesta de deflectores. Otro error en el que se incurrió fue en la alineación de los soportes de los deflectores ya que los soportes fueron alineados con la platina y no con el deflector. Razón de más para generar una trayectoria curva entre los soportes y no recta como se había pensado.
Ilustración 30. Montaje de prueba para la verificación del campo de velocidades del difusor.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos con el PET se procede a la segunda etapa del proceso de manufactura de los deflectores. Esta etapa se concentra en corregir todos los errores detectados en la experiencia anterior. La primera corrección fue modificar el ángulo de los soportes de los deflectores con el fin de corregir su posición angular y que los soportes fuesen colineales. Esto se logró realizando un corte al soporte y generando una deformación plástica en el excedente del material del soporte como se evidencia en la Ilustración 31. También se cambió el material de los deflectores. Esta vez se utilizaron láminas alveolares de polipropileno (CARTONPLAST®) para realizar los deflectores. Este material viene en pliegos y es almacenado en gavetas características que certifica que la pieza conserva la forma después de cortarse. Además presentan una resistencia adecuada por los soportes estructurales que tienen dispuestos entre láminas emulando el cartón.
29
Ilustración 31. Corrección del soporte de los deflectores aerodinámicos y sujeción por abrazaderas plásticas.
El cambio de los deflectores mejoró sustancialmente el perfil de velocidades dentro del difusor. Este perfil se desarrolla una forma más adecuada logrando así la difusión del flujo a la entrada de la cámara de colección dentro del secador. La Ilustración 32 a)muestra la instalación de los deflectores de CARTONPLAST en la estructura del difusor mientras que la Ilustración 32 b)muestra un montaje preliminar del difusor. Este montaje se logra con unos ángulos en acero agujereados puestos uno contra el otro. Estos agujeros en los ángulos permiten fijarlos a las estructuras tanto del difusor como del secador. Además cuentan con un agujero extra que permite montar un tornillo pasante que atraviesa ambos ángulos y la su tuerca permite ajustar las estructuras para asegurar el sello mecánico y evitar fugas.
a) b)
Ilustración 32. a) Montaje de deflectores en CARTONPLAST. b) Montaje preliminar del difusor en el secador.
5.4
Montaje final del difusor
Finalmente se desarrolla el montaje final incluyendo todas las partes del difusor, tal como se esperaba ver desde el CAD. En esta fase se ensamblan todos los sistemas y se deja el montaje listo
30
para desarrollar los experimentos de ventilación forzada. En este punto del proyecto se logró mover el secador de madera justo al lado del secador de aluminio desarrollado por Porras (9). Este último cambio permitió acoplar los elementos de difusión de flujo al secador de madera. Esta tarea era imposible en la zona en la cual estaba ubicado inicialmente debido a la proximidad con árboles circundantes y a la casa de la finca. Asimismo esto presenta una ventaja experimental en comparación con trabajos anteriores ya que se alinearon los secadores de manera paralela y ambos reciben las mismas condiciones de viento. La Ilustración 33 muestra el resultado final de la manufactura y montaje de los difusores a los secadores existentes en campo. En esta fotografía se puede ver un plástico que eventualmente puede hacer sombra a los secadores ya que el espacio disponible dentro del predio es limitado. La Ilustración 34 muestra un detalle de la sujeción del forro al montaje final.
Ilustración 33. Montaje final de los difusores en los dos secadores.
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5.5
Manufactura de la reducción del diámetro hidráulico
El secador se compone de dos cámaras, una de colección y una de secado. Estas cámaras representan un ducto por el cual fluye el aire desde el difusor hacia la chimenea. Cabe resaltar que este ducto no es de sección transversal circular como se acostumbra usar en las aplicaciones hidráulicas. Estas aplicaciones han desarrollado una teoría y modelos matemáticos que permiten pronosticar el comportamiento y diseñar arreglos de tubería para ductos de sección transversal circular. Es por esto que se ha desarrollado el concepto de diámetro hidráulico que emula un ducto circular de diámetro equivalente.
La propuesta seleccionada de mejora al proceso es la instalación de un dispositivo que reduzca la distancia entre el aire más caliente y el producto como midió Gómez (4). Para lograr la instalación de este dispositivo hay que tener en cuenta que el aditamento debe ser desmontable. Esto permite regresar el secador a su configuración original. Esta restricción conlleva un diseño de marcos de madera forrados con plástico de invernadero que permite la entrada de la radiación solar. La Ilustración 35 muestra los listones de madera MDF sobrepuestos en el suelo. Un marco adicional es el encargado de la integridad estructural del panel que es ubicado de manera intercalada para ser adherido con un adhesivo sintético de poliacetato de vinilo (CARPINCOL ®) como se puede ver en la Ilustración 36.
Ilustración 35. Marco de reducción de diámetro
Ilustración 36. Ensamble del marco y unión adhesiva
