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Caracterización del proceso de secado de almidón de sagú en un secador solar tipo túnel Hohenheim

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Academic year: 2020

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(1)PROYECTO DE GRADO CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO DE ALMIDÓN DE SAGÚ EN UN SECADOR SOLAR TIPO TÚNEL HOHENHEIM. Edwin Fernando Gómez Hernández Correo: ef.gomez41@uniandes.edu.co Código: 200722573 Proyecto de grado para optar al título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Asesor: Dr.Sc. Orlando Porras Profesor Asociado. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C Diciembre, 2012. 1.

(2) CARTA DE PRESENTACION. Señor Edgar Alejandro Marañón Director Departamento de Ingeniería Mecánica Ciudad. Estimado profesor,. Por medio de la presente, pongo en consideración el proyecto de grado titulado: “CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO DE ALMIDÓN DE SAGÚ EN UN SECADOR SOLAR TIPO TUNEL HOHENHEIM”, como requisito de grado del programa de Ingeniería Mecánica.. Atentamente. Edwin Fernando Gómez Hernández C.C. 1.075.658.636 de Bogotá D.C. 2.

(3) A mi padres, Elvira Hernández y Samuel Gómez, por darme el apoyo en todo momento y ser un ejemplo de fortaleza.. 3.

(4) AGRADECIMIENTOS. Quiero expresar mis agradecimientos al Profesor Orlando Porras por sus comentarios y consejos sobre el desarrollo de los diferentes experimentos, que fueron vitales para la culminación del proyecto de grado. Al técnico Omar Amaya del Laboratorio de Conversión de Energía por su colaboración y soporte a la hora del manejo de los equipos del laboratorio. Agradezco al Señor José Ignacio Cruz, productor de almidón de sagú en Pasca, Cundinamarca, por su apoyo, amabilidad y colaboración durante el proceso de secado y toma de datos. Por último, a mis padres que me apoyaron en los momentos difíciles y fueron mi bastón y motivación en estos años de carrera universitaria. Gracias a ellos y a su sacrificio culminó ésta importante etapa de mi vida.. 4.

(5) Tabla de contenido Nomenclatura Lista de símbolos, subíndices y abreviaturas Lista de gráficas, ilustración, figuras, tablas y ecuaciones 1. Introducción ......................................................................................................... 13 2. Objetivos del Proyecto ........................................................................................... 15 2.1 Objetivo General ........................................................................................... 15 2.2. Objetivo Específicos ..................................................................................... 15 3. Marco Teórico ....................................................................................................... 16 3.1 Ubicación Geográfica de Pasca Cundinamarca: ................................................ 16 3.2 Planta de Sagú ............................................................................................. 17 3.2.1 Producción Almidón de Sagú en Colombia .................................................... 18 3.2.2 Procesamiento del Almidón de Sagú ............................................................ 19 3.3 Secador Solar tipo Hohenheim ....................................................................... 20 3.4 Secador Solar Hohenheim Modificado ............................................................. 22 4. Métodos y Materiales ............................................................................................. 23 4.1 Experimento1: Secado de almidón de sagú con convección natural ................... 23 4.2 Experimento2: Secado de almidón de sagú con convección forzada................... 23 4.3 Experimento3: Secado de almidón de sagú con cubierta de vidrio y alargamiento de chimenea. ........................................................................................... 23 4.3.1 Explicación al cambio de cubierta del colector solar ....................................... 25 4.4 Variables de medición internas y externas al secador solar ............................... 27 4.4.1 Temperaturas: ........................................................................................... 27 4.4.2 Humedad Relativa ...................................................................................... 31 4.4.3 Humedad del producto en base húmeda ...................................................... 32 4.4.4 Radiación Solar: ......................................................................................... 33 4.4.5 Velocidad del Aire dentro del secador solar ................................................... 33 4.5 Propuesta de Piranómetro Casero ................................................................... 33 4.6 Programación Registradores de Datos (Hobos). ............................................... 35 4.7 Recolección y almacenamiento de muestras de almidón de sagú:...................... 36 4.8 Instrumentación y Equipos de Medición .......................................................... 40 4.9 Consideraciones dentro de la experimentación................................................. 44 5. Resultados ............................................................................................................ 45 5.1 Resultado de Experimento 1 .......................................................................... 45 5.2 Resultado del Experimento 2 .......................................................................... 52 5.

(6) 5.3 Resultado del Experimento 3 .......................................................................... 58 6. Análisis de Resultados ........................................................................................... 65 6.1 Temperaturas del Secador Solar Tipo Hohenheim ............................................ 65 6.1.1 Temperaturas registradas en el día .............................................................. 65 6.1.2 Temperaturas registradas en la noche.......................................................... 69 6.1.3 Temperaturas Superficiales de la placa colectora .......................................... 70 6.1.4 Estratificación de Temperatura en el área Transversal ................................... 73 6.2 Humedad Relativa ......................................................................................... 73 6.2.1 Humedad Relativa registradas en el día ........................................................ 74 6.2.2 Humedad Relativa registradas en la noche ................................................... 74 6.3 Humedad del almidón de sagú ....................................................................... 75 6.3.1 Masa de agua pérdida durante el proceso de secado ..................................... 77 6.4 Velocidad del Aire dentro del Secador Solar ..................................................... 78 6.5 Eficiencia del Colector Solar ........................................................................... 79 6.6 Eficiencia del Secador Solar............................................................................ 82 6.7 Estudio del Flujo de aire dentro del Secador Solar ............................................ 84 6.7.1 Número de Reynolds .................................................................................. 84 6.7.2 Longitud de flujo desarrollado ..................................................................... 86 6.7.3 Resultados para el número de Reynolds y flujo desarrollado: ......................... 87 6.8 Conservación de Masa o Ecuación de Continuidad ............................................ 87 7. Conclusiones ......................................................................................................... 90 8. Recomendaciones ................................................................................................. 91 8.1 Proceso ........................................................................................................ 91 8.2 Estructura .................................................................................................... 92 9. Referencias Bibliográficas ....................................................................................... 93 10. Anexos ............................................................................................................... 95 Anexo 1: Planos del Secador Solar Tipo Hohenheim............................................... 95 Anexo 2 Código en Matlab utilizado para calibración del piranómetro casero ............ 98. 6.

(7) Lista de Figuras, Gráficas, Ecuaciones, Tablas e Ilustraciones Lista de Gráficas Gráfica 1 Ejemplo de la curva de cinética de secado (Maupoey, 2001) ______________ Gráfica 2 Curva de la calibración para la tarjeta amplificación (Canal 1)______________ Gráfica 3 Curva de calibración para el piranómetro casero ________________________ Gráfica 4 Temperatura del aire (Experimento 1) ________________________________ Gráfica 5 Temperatura del aire 21/9/2012 (Experimento 1) _______________________ Gráfica 6 Humedad Relativa del aire (Experimento 1) ____________________________ Gráfica 7 Humedad Relativa del aire 21/9/2012 (Experimento 1)___________________ Gráfica 8 Estratificación de la temperatura del Aire (Experimento 1) ________________ Gráfica 9 Estratificación de la temperatura del aire 21/9/2012 (Experimento 1) _______ Gráfica 10 Temperatura placa de zinc (Experimento 1)___________________________ Gráfica 11 Curva de cinética de secado del almidón de sagú (Experimento 1) _________ Gráfica 12 Temperatura del aire (Experimento 2) _______________________________ Gráfica 13 Temperatura del aire 14/10/2012 (Experimento 2) _____________________ Gráfica 14 Humedad Relativa del aire (Experimento 2) ___________________________ Gráfica 15 Humedad Relativa del aire 14/10/2012 (Experimento 2)_________________ Gráfica 16 Estratificación de la Temperatura del aire (Experimento 2)_______________ Gráfica 17 Temperatura placa de zinc (Experimento 2)___________________________ Gráfica 18 Velocidad del aire dentro del secador solar (Experimento 2) _____________ Gráfica 19 Curva de cinética de secado del almidón de sagú (Experimento 2) _________ Gráfica 20 Temperatura del aire (Experimento 3) _______________________________ Gráfica 21 Temperaturas del aire 3/11/2012 (Experimento 3) _____________________ Gráfica 22 Humedad Relativa del aire (Experimento 3) ___________________________ Gráfica 23 Humedad Relativa del aire 3/11/2012 (Experimento 3)__________________ Gráfica 24 Estratificación de la temperatura del aire (Experimento 3) _______________ Gráfica 25 Temperatura placa de zinc (Experimento 3)___________________________ Gráfica 26 Velocidad del aire dentro del secador solar (Experimento 3) _____________ Gráfica 27 Curva de cinética de secado del almidón de sagú (Experimento 3) _________ Gráfica 28 Análisis de Temperaturas dentro del secador solar (Experimento 2) _______ Gráfica 29 Temperatura placa colectora vs Radiación Solar (Experimento 2) __________ Gráfica 30 Temperatura placa colectora vs Radiación Solar (Experimento 3) __________ Gráfica 31 Histograma: Radiación Solar aproximada (Experimento 2) _______________ Gráfica 32 Histograma: Radiación Solar aproximada (Experimento 3) _______________ Gráfica 33 Histograma de Temperatura a la salida del colector (14/10/2012) _________ 7. 32 34 35 45 46 47 47 48 49 50 51 52 53 53 54 55 55 56 57 58 59 60 60 61 62 63 63 65 66 66 67 68 68.

(8) Gráfica 34 Histograma de Temperatura a la salida del colector (3/11/2012) __________ Gráfica 35 Histograma de Temperatura a la salida del colector (14/10/2012) _________ Gráfica 36 Histograma de Temperatura a la salida del colector (3/11/2012) __________ Gráfica 37 Diferencia de temperaturas del a placa colectora (Experimento 1)_________ Gráfica 38 Diferencia de temperaturas de la placa colectora (Experimento 2)_________ Gráfica 39 Diferencia de temperatura de la placa colectora (Experimento 3) _________ Gráfica 40 Humedad Relativa vs Temperatura del aire ___________________________ Gráfica 41 Media móvil de la velocidad del aire (Experimento 2) ___________________ Gráfica 42 Media móvil de la velocidad del aire (Experimento 3) ___________________ Gráfica 43 Eficiencia Colector Solar (Experimento 2)_____________________________ Gráfica 44 Eficiencia Colector Solar (Experimento 3)_____________________________. 69 70 70 72 72 72 74 78 79 80 81. Lista de Ilustraciones Ilustración 1 Secador Solar tipo Hohenheim en Pasca, Cundinamarca _______________ Ilustración 2 Planta de sagú o achira y su correspondiente Rizoma (Andes, 2012) _____ Ilustración 3 Secado del almidón de sagú al aire libre ____________________________ Ilustración 4 Secador Solar Tipo Hohenheim (Hohenheim, 2011) __________________ Ilustración 5 Cubierta de Vidrio para el Colector Solar ___________________________ Ilustración 6 Alargamiento de la Chimenea 1.5metros ___________________________ Ilustración 7 Dispositivo Hobo con techo protector de papel ______________________ Ilustración 8 Ubicación de Hobos dentro del secador Solar _______________________ Ilustración 9 Ubicación del Hobo en la sección final de la chimenea ________________ Ilustración 10 Ubicación del termopar y Hobo en el colector solar __________________ Ilustración 11 Montaje Inicial para los termopares tipo K _________________________ Ilustración 12 Montaje final para el anemómetro y termopares tipo K ______________ Ilustración 13 Piranómetro Eppley y piranómetro casero _________________________ Ilustración 14 Tubos de Ensayos con tapón y Perfil de Vidrio de 9mm _______________ Ilustración 15 Muestreador para sólidos y embudo de plástico ____________________ Ilustración 16 Tarjeta de Amplificación CT4 ____________________________________ Ilustración 17 Termopares tipo K ____________________________________________. 13 17 20 21 24 24 28 29 29 30 31 31 34 37 38 43 43. Lista de Figuras Figura 1 Imagen del municipio de Pasca, Cundinamarca. Fuente: Google Maps _______ 16 Figura 2 Clasificación botánica de la achira (Corpoica, 2003) ______________________ 17 Figura 3 Ubicación de los departamentos productores del almidón de sagú __________ 18 8.

(9) Figura 4 Proceso obtención Almidón(Buritica, 2011)_____________________________ Figura 5 Esquema del Secador Solar Tipo Hohenheim (Roa, 2011) __________________ Figura 6 Modelo Modificado Secador Solar en Pasca (Carlos DeCastro, 2012) _________ Figura 7 Efecto Invernadero (Cengel, 2007) ____________________________________ Figura 8 Puntos de Medición para el Secador Solar tipo Hohenheim (Andes, 2012) ____ Figura 9 Programa Boxcar V 3.6 Hobos _______________________________________ Figura 10 Sistema identificación muestras por días ______________________________ Figura 11 Piranómetro Eppley ______________________________________________ Figura 12. Anemómetro de Hilo Caliente ______________________________________ Figura 13 Hobo Data Logger ________________________________________________ Figura 14 Hobo Data Logger ________________________________________________ Figura 15 Balanza de Humedad XM 120_______________________________________ Figura 16 Figura del Modelo de Secador Solar __________________________________ Figura 17 Descripción del flujo laminar y turbulento(Duarte, 2001) _________________ Figura 18 Diagrama del Modelo de Flujo Desarrollado(White, 2007) ________________ Figura 19 Ventiladores Eléctricos ____________________________________________ Figura 20 Plano de la Planta General- Corte Longitudinal (Andes, 2012) _____________ Figura 21 Corte Transversal del Secador Solar (Andes, 2012) ______________________ Figura 22 Plano de Detalles del Secador Solar (Andes, 2012) ______________________ Figura 23 Plano de Detalle 1- Planta (Andes, 2012) ______________________________. 19 21 22 25 27 36 38 40 40 41 42 42 82 85 86 88 95 96 97 98. Lista de Ecuaciones Ecuación 1 Humedad Relativa .............................................................................................. 73 Ecuación 2 Masa inicial de agua presente en el almidón de sagú ....................................... 77 Ecuación 3 Masa final de agua presente en el almidón de sagú.......................................... 77 Ecuación 4 Masa final de agua presente en el almidón de sagú.......................................... 77 Ecuación 5 Eficiencia Colector Solar (𝐶𝑜𝑟𝑣𝑎𝑙á𝑛, 1992) ...................................................... 80 Ecuación 6 Eficiencia Secador Solar ..................................................................................... 82 Ecuación 7 Número de Reynolds .......................................................................................... 85 Ecuación 8 Longitud de Flujo Desarrollado para un Régimen Turbulento........................... 86 Ecuación 9 Conservación de masa........................................................................................ 88 Ecuación 10 Relación de flujo de masa que entra y sale del sistema .................................. 88. 9.

(10) Lista de Tablas Tabla 1 Características de los Principales Materiales de Cubierta de Invernadero ............ 26 Tabla 2 Propiedades de Transmisión del Vidrio (Vidrieria Peldar)....................................... 26 Tabla 3 Canal abierto para registro de datos ....................................................................... 36 Tabla 4 Cantidad de muestras de Almidón .......................................................................... 39 Tabla 5 Equipos utilizados en el desarrollo de los experimentos ........................................ 42 Tabla 6 Instrumentos y sistemas de medición ..................................................................... 43 Tabla 7 Temperaturas Superficiales a la entrada y salida del colector solar ....................... 71 Tabla 8 Estratificación de temperaturas máximas en el Área Transversal .......................... 73 Tabla 9 Resultados Finales de Secado para la Humedad del Producto................................ 75 Tabla 10 Diferencias de humedades entre puntos superiores e inferiores ......................... 76 Tabla 11 Aumento de la humedad del producto en las horas de la noche.......................... 76 Tabla 12 Pérdida de masa de agua para el almidón de sagú ............................................... 77 Tabla 13 Resultados de Eficiencia del Colector .................................................................... 81 Tabla 14 Calculo de entalpia a la entrada y salida del secador para el Experimento 1 ....... 83 Tabla 15 Calculo de entalpia a la entrada y salida del secador para el Experimento 2 ....... 83 Tabla 16 Calculo de entalpia a la entrada y salida del secador para el Experimento 3 ....... 83 Tabla 17 Resultados de Eficiencias para el Secador Solar .................................................... 83 Tabla 18 Datos atmosféricos para Pasca .............................................................................. 85 Tabla 19 Dimensiones Generales del Secador Solar tipo Hohenheim ................................. 86 Tabla 20 Velocidades promedios del aire ............................................................................ 86 Tabla 21 Resultado del tipo de Flujo para el Segundo Experimento ................................... 87 Tabla 22 Resultado del tipo de Flujo para el Tercer Experimento ....................................... 87 Tabla 23 Valores asociadas al cálculo de conservación de masa ......................................... 88 Tabla 24 Valores de Conservación de la Masa (Experimento 2) .......................................... 89 Tabla 25 Valores de Conservación de la Masa (Experimento 3) .......................................... 89. 10.

(11) Nomenclatura Lista de símbolos. b.h. Contenido de humedad en base húmeda. X. Contenido de humedad. Re. Número de Reynolds. P. Presión [Pa]. P. perímetro [m]. T. Temperatura [°C]. v. Velocidad [m/s]. 𝑚̇ m. Flujo másico � 𝑠 �. D. Diámetro de la tubería[m]. d. Diámetro ventiladores [m]. De. Diámetro equivalente o hidráulico[m]. ∆h. Entalpia �𝑘𝑔�. 𝑄𝑢. 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑈𝑡𝑖𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 �𝑠�. ∆t. 𝑘𝑔. Masa [kg]. 𝑘𝐽. tiempo de frecuencia de muestreo [min] 𝐽. A 𝐴𝑐. Área [𝑚2 ] Á𝑟𝑒𝑎 𝐵𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟[𝑚2 ]. 𝐶𝑝 aw. 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 �𝑘𝑔∙𝐶�. Actividad del agua. b. Base[m]. 𝐼. 𝑊. 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 �𝑚2 �. 𝑘𝐽. 11.

(12) h. Altura [m]. L. Longitud de flujo[m]. R. Constante Universal de los gases �𝑚𝑜𝑙∙𝐾�. 𝑘𝐽. 𝜂. Eficiencia [%]. e. entrada. s. salida. C. colector. S. secador. Subíndices. Caracteres en griego 𝜌 𝜐. μ. 𝑘𝑔. Densidad �𝑚3 �. Viscosidad cinemática �. 𝑚2 𝑠. Viscosidad dinámica [Pa s]. �. Abreviaturas RH: siglas en inglés para la humedad relativa CORPOICA: Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria. 12.

(13) 1. Introducción En el municipio de Pasca (Cundinamarca), vereda Guchipas, se encuentra implementado el prototipo de secador solar tipo Hohenheim, diseñado por la Universidad de Hohenheim en Alemania. El secador solar fue construido localmente, por medio de un financiamiento del Banco Interamericano de Desarrollo, que busca aplicar tecnologías con fuentes no contaminantes de energía. Pasca es un municipio de vocación agropecuaria, en donde uno de sus productos agrícolas es el almidón de sagú (Canna edulis, Ker). Según Corpoica, el almidón se comercializa con humedades entre 15% al 17% b.h, sin embargo por deficiencias en los sistemas de secado, el almidón se está comercializando con contenidos de humedad comprendidos entre 20% y 25% b.h (Corpoica, 2003). La actividad del cultivo y extracción del almidón es una actividad importante para la economía de la región, el cual constituye una fuente de ingreso, empleo local y una parte de la dieta alimentaria. Dentro del proceso de extracción del almidón una de las etapas finales es el secado. A continuación se presentará una imagen del secador solar ubicado en Pasca, Cundinamarca:. Ilustración 1 Secador Solar tipo Hohenheim en Pasca, Cundinamarca. 13.

(14) El secador solar tipo Hohenheim funciona mediante el efecto invernadero generado por una película plástica. Dentro del proceso de secado es de vital importancia la radiación solar, la cual incide sobre el producto y a la vez sobre una placa colectora. En la parte externa al secador encontramos unas celdas fotovoltaicas que proporcionan la energía para accionar los ventiladores que controlan la velocidad del aire dentro del túnel. De tal forma el aire caliente circula el secador y ayuda a retirar la humedad del almidón. Este proyecto tiene como objetivo general caracterizar el proceso de secado para almidón de sagú mediante el uso de unos secadores solares tipo Hohenheim. El documento describirá el proceso de consecución para cada experimento, en donde se hablará de los equipos disponibles y metodologías de experimentación, para después presentar y poder analizar los resultados. Para la caracterización del proceso de secado se planearon tres experimentos independientes, con el fin de analizar el proceso de secado para tres situaciones diferentes. El primer experimento involucra un proceso de secado de almidón a partir de una convección natural, el segundo mediante una convección forzada y el último involucra un cambio de cubierta de vidrio y un alargamiento de la chimenea. En cada experimento se analizará las variables involucradas en el proceso como son las temperaturas, humedades del ambiente y velocidad del aire. Por último se recogerán una serie de muestras de almidón para documentar la cinética de secado y así poder realizar posibles mejoras en el proceso.. 14.

(15) 2. Objetivos del Proyecto 2.1 Objetivo General •. Caracterización del prototipo de secador solar tipo túnel Hohenheim implementado en el municipio de Pasca mediante la experimentación sobre los parámetros de operación del proceso.. 2.2. Objetivo Específicos •. Caracterización del secador solar, en donde analizará las variables relacionadas con el proceso de secado, como temperaturas superficiales y del ambiente, humedades relativas, radiación solar y ventilación dentro del secador solar.. •. Caracterizar el proceso de secado del almidón de sagú por medio de la curva de cinética de secado.. •. Proponer una serie de recomendaciones que el cliente puede ejecutar para tener el control sobre el proceso de secado que está desarrollando actualmente, de acuerdo a las condiciones técnicas, sociales y económicas del sector.. 15.

(16) 3. Marco Teórico 3.1 Ubicación Geográfica de Pasca Cundinamarca: Datos Generales de Pasca, Cundinamarca:(Pasca, 2012): -Coordenadas: 4° 18′ 21.9′′N, 74° 18′ 3.07′′ W (Google Maps, 2012) -Limita por el Norte con Fusagasugá, Sibaté, Soacha y Bogotá D.C., por el Este con Bogotá D.C. por el Sur con Arbeláez y por el oeste con Fusagasugá. -Extensión total: 264.24 Km2 -Altitud de la cabecera municipal (metros sobre el nivel del mar): 2.180 m.s.n.m. -Temperatura media: 15º c -Distancia de referencia: 75 Km a Bogotá, D.C. -Población aproximada de 11,000 habitantes. La Figura 1 muestra la localización de Pasca en relación a la ciudad principal más cercana, Fusagasugá (Cundinamarca), la cual se encuentra a una distancia de 7.84km.. Figura 1 Imagen del municipio de Pasca, Cundinamarca. Fuente: Google Maps. 16.

(17) 3.2 Planta de Sagú El sagú es una planta característica del trópico colombiano, que en su etapa madura forma rizomas de las cuales se extrae su almidón. En la Figura 2 muestra la clasificación botánica del sagú, la cual pertenece a la familia de las Cannáceas.. Figura 2 Clasificación botánica de la achira (Corpoica, 2003). Ilustración 2 Planta de sagú o achira y su correspondiente Rizoma (Andes, 2012). La planta de sagú presenta raíces blancas sobre los rizomas de donde sale el tallo (ver Ilustración 2). La parte superior del rizoma desarrolla ramificaciones y da origen a vástagos. Según Corpoica, el tamaño de los rizomas en pleno desarrollo fluctúa entre 5 a 15 cm de largo y de 4 a 10 cm de ancho. Esta planta contiene hojas enteras de color verde oscuro, que pueden medir entre 30 y 80 cm de largo y entre 10 y 30 cm de ancho, que presentan una nervadura central. Las flores están dispuestas en racimos que salen del tallo de coloración roja y por último un fruto el cual contiene las semillas. 17.

(18) 3.2.1 Producción Almidón de Sagú en Colombia En Colombia el proceso de extracción de almidón de sagú, hace referencia a una economía campesina y familiar, con áreas de cultivo menores a una hectárea (Corpoica, 2003). Para ello, se utilizan técnicas artesanales tanto en la extracción como en el proceso de secado. Dentro de etapa de producción los agricultores se encargan del ciclo completo de producción. El proceso incluye la extracción del rizoma, lavado, tamizado, blanqueamiento y su posterior secado. Para el 2001, en Colombia, la actividad de producción de almidón de sagú generó 1,400 toneladas anuales, valorada en $2,146 millones de pesos(Corpoica, 2003). En la Figura 3 se aprecia los departamentos productores de almidón de sagú, donde los mayores productores son: Huila y Cundinamarca con un total de 1,308 ton/anuales. En Cundinamarca se destaca varios municipios: Quetame, Guayabetal, Cáqueza, Fómeque, Choachí, Pasca, Ubaque y Silvania con un aproximado de 600 hectáreas sembradas.. Figura 3 Ubicación de los departamentos productores del almidón de sagú(Corpoica, 2003). 18.

(19) 3.2.2 Procesamiento del Almidón de Sagú La Figura 4 representa el proceso completo de la obtención del almidón de sagú. El proceso inicia a partir de la cosecha del sagú, principalmente en épocas de poca lluvia. Continúa la recolección de los rizomas y un proceso de pre-lavado con agua, mediante un agitado fuerte se remueve la tierra adherida. Posteriormente los rizomas son rallados y son pasados por mallas en donde el material se cuela. A continuación se realiza una serie de lavados para limpiar y obtener un blanqueamiento del producto. El último proceso involucra el secado del almidón para eliminar parte de su humedad.. Figura 4 Proceso obtención Almidón(Buritica, 2011). El proceso de secado se realiza de forma artesanal, en donde se coloca el producto al aire libre en patios, terrazas, paseras o sobre plásticos (ver Ilustración 3).. 19.

(20) Ilustración 3 Secado del almidón de sagú al aire libre. Esta forma artesanal de secado, el cuál utiliza los rayos solares y el aire libre, genera contaminación del producto, debido al pisoteo de los animales, lluvias, partículas de polvo y suciedad. La eficiencia de este proceso de secado depende de la temperatura y el aire seco que sea expuesto el material. Por lo anterior, los secadores solares tipo Hohenheim son una solución para los pequeños productores de almidón, brindándoles mejores condiciones sanitarias y menores tiempos del proceso de secado.. 3.3 Secador Solar tipo Hohenheim El secador solar tipo Hohenheim (Muhlbauer, 1986) es una solución efectiva para deshidratar diferentes productos agrícolas como almidones o frutas, en un menor tiempo y porcentaje de humedad. Actualmente no se tiene un método de diseño de secadores para un producto en específico. En la Ilustración 4Ilustración 2 se aprecia al modelo original de un secador solar tipo Hohenheim.. 20.

(21) Ilustración 4 Secador Solar Tipo Hohenheim (Hohenheim, 2011). El secador solar tipo Hohenheim es un secador mixto y de convección forzada, en forma de túnel cubierto por un plástico de polietileno, que protege y crea un efecto invernadero. El sistema consta de un colector solar de placa plana y de un área de secado del producto expuesta a la radiación solar (ver Figura 5). La masa de aire, que es calentada por el colector solar es impulsada por los ventiladores hacia la parte del secador donde están ubicadas las bandejas de secado. En las bandejas de madera es donde ocurre el proceso de pérdida de humedad del material. Paneles fotovoltaicos aprovechan la energía del sol para accionar los ventiladores que se encargan de forzar el aire a través de toda la longitud del túnel.. Figura 5 Esquema del Secador Solar Tipo Hohenheim (Roa, 2011). 21.

(22) 3.4 Secador Solar Hohenheim Modificado El secador Solar tipo Hohenheim ubicado en el municipio de Pasca, Cundinamarca, es un versión modificada del secador solar tipo Hohenheim. Su diseño está basado bajo una coordinación modular, es decir las medidas del secador están relacionadas con las dimensiones comerciales de sus materiales (Ver planos en el Anexo 1). Otra modificación con respecto al manual del secador solar Hohenheim es una chimenea para inducir flujo natural (Carlos DeCastro, 2012). Al introducir una chimenea al secador se produce el efecto chimenea, en donde el fluido tiende a elevarse cuando se calienta debido a la disminución de su densidad, incrementando el flujo del aire de forma natural.. Figura 6 Modelo Modificado Secador Solar en Pasca (Carlos DeCastro, 2012). 22.

(23) 4. Métodos y Materiales Los experimentos previstos dentro de esta sección serán útiles para caracterizar el funcionamiento del secador solar, a partir de la combinación de diferentes elementos como son la ventilación natural y forzada, el material de la cubierta del colector y la chimenea. A continuación se explicaran las pruebas experimentales realizadas para este proyecto:. 4.1 Experimento1: Secado de almidón de sagú con convección natural El primer experimento tiene el objetivo de analizar durante 5 días las variables de temperaturas, radiación solar y humedades involucradas en el proceso de secado. Este experimento servirá para estudiar el efecto de la ventilación natural dentro del secador. El periodo de duración del experimento de cinco días fue sugerido por el señor Ignacio Cruz, productor de sagú, para un proceso de secado sin el uso de los ventiladores.. 4.2 Experimento2: Secado de almidón de sagú con convección forzada El segundo experimento tiene el propósito de analizar durante 3 días las variables de temperaturas, humedades y radiación solar involucradas dentro del proceso de secado. El periodo de tres días de experimentación fue estipulado según el informe de Mejoramiento tecnológico con asistencia solar en la extracción del almidón de sagú (Andes, 2012), en donde se logró un secado completo para tres días. Este experimento analizaría las condiciones bajo las cuales el secador funciona normalmente bajo una convección forzada.. 4.3 Experimento3: Secado de almidón de sagú con cubierta de vidrio y alargamiento de chimenea. A partir del segundo experimento y para un periodo de experimentación de tres días, se propone dos cambios:. 23.

(24) •. Cambiar la cubierta de polietileno por vidrio de 4mm para el área del colector solar con el propósito de intensificar el efecto invernadero debido a las propiedades del vidrio. •. Un alargamiento de la chimenea, con el fin de aumentar el flujo natural de aire.. En la Ilustración 5 se puede apreciar la imagen del secador solar tipo Hohenheim con la cubierta de vidrio, la cual se realizó a partir de dos marcos de aluminio unidos por bisagras. En la Ilustración 6 se puede ver el alargamiento de la chimenea realizado a partir de una extensión del esqueleto en madera de la chimenea original, la cual fue cubierta plástico de polietileno.. Marco en Aluminio de 2m x 0.8m y vidrio de 4mm Ilustración 5 Cubierta de Vidrio para el Colector Solar. Altura añadida a la chimenea después de su alargamiento. Altura inicial de la chimenea. Ilustración 6 Alargamiento de la Chimenea 1.5metros. 24.

(25) 4.3.1 Explicación al cambio de cubierta del colector solar La cubierta dentro del secador solar hace posible que ocurra el efecto invernadero, en donde la cubierta atrapa la energía permitiendo que entre la radiación solar y no dejando salir la radiación infrarroja. Cuando los rayos del sol atraviesan la cubierta, en forma de ondas cortas, la energía es absorbida por la teja de zinc del colector. La teja de zinc aumenta su temperatura y emite ondas infrarrojas, estas no pueden atravesar la cubierta y quedan atrapadas dentro del colector solar (Ver Figura 7).. Figura 7 Efecto Invernadero (Cengel, 2007). Para este experimento se cambio la cubierta de poliuretano por vidrio transparente por las siguientes razones: •. El vidrio presenta mejores propiedades en comparación con otros. materiales, ya que tiene una excelente transmisión térmica, no es afectado por las radiaciones ultravioletas y conserva sus propiedades durante el tiempo que esté expuesto. La radiación ultravioleta provoca en los plásticos una rápida degradación, lo que exige su sustitución cada 2 años. (InfoAgro Systems, 1994) •. El vidrio tiene la propiedad de ser totalmente reflectivo, es decir que refleja. gran parte de la radiación de onda larga incidente, haciendo que caiga nuevamente hacia la placa colectora. Al reflejar las radiaciones de onda larga, el vidrio evita que la energía en forma de ondas electromagnéticas salgan hacia el ambiente. •. A la hora de definir el espesor del vidrio, se necesita un espesor apropiado. que en caso de granizada o algún golpe no se vaya a fracturar con facilidad. También se 25.

(26) debe buscar que la transmisividad a la luz solar sea la máxima posible. Según la Tabla 2 la transmisión de luz solar disminuye a medida que aumenta el espesor del vidrio. Teniendo en cuenta los dos aspectos anteriores, se escogió un espesor de 4mm, la cual tiene una transmisividad de 63% para la luz solar. A la vez se tuvo en cuenta la recomendaciones de espesores de vidrio para construir las cubiertas de los invernaderos entre 2 a 4 mm (Cermeño, 2005).. Tabla 1 Características de los Principales Materiales de Cubierta de Invernadero (Cermeño, 2005). Tabla 2 Propiedades de Transmisión del Vidrio (Vidrieria Peldar). Para el cambio de cubierta, se adquirió dos marcos en aluminio (2.2 metros de largo por 0.8 m de ancho), que se unieron por medio de una bisagra. Posteriormente se colocó empaques en dicha unión para evitar fugas de aire o que al llover entre agua. Finalmente se procedió a montar la estructura sobre el esqueleto del secador. Este cambio tuvo un valor de $120.000 (con IVA precios de Noviembre del 2012).. 26.

(27) 4.4 Variables de medición internas y externas al secador solar Para los tres experimentos se registró datos de las siguientes variables involucradas en el proceso de secado: temperaturas superficiales del colector, temperaturas del ambiente, velocidad del aire, radiación solar y humedades relativas. Dicho registro de datos servirá para caracterizar el secador solar tipo Hohenheim. A continuación en la Figura 8 se muestra el plano del secador solar (primera etapa), en donde se indican los puntos de medición de cada una de las variables.. Temperatura Supercial del Colector Temperatura del Aire en el Área Transversal Radiación Solar Velocidad del Aire Humedad Relativa y Temperatura del Aire Figura 8 Puntos de Medición para el Secador Solar tipo Hohenheim (Andes, 2012). A continuación se explicará el propósito de medición para cada una de las variables previamente mencionadas:. 4.4.1 Temperaturas: •. Temperatura Ambiente:. 27.

(28) La medición de la temperatura ambiente fue tomada bajo techo en un punto externo al secador solar utilizando el dispositivo Hobo. El dispositivo Hobo cuenta con un termómetro y sistema de adquisición de datos, que al ser programados guardan durante varios días los datos. El registro de la temperatura ambiente servirá para comparar la temperatura atmosférica y la temperatura dentro del secador solar. •. Temperatura dentro del secador solar:. La temperatura dentro del secador solar es registrada por los dispositivos Hobos, para cuatro puntos dentro del secador solar: 1) Inicio colector solar, 2) Salida colector solar, 3) Inicio chimenea y 4) Final chimenea. 1 El objetivo de registro de esta variable es de observar el comportamiento de la temperatura del aire dentro del secador solar durante el tiempo de desarrollo de los experimentos. Para evitar que los rayos del sol incidieran directamente sobre los sensores de temperatura de los Hobos se les colocó un techo de cartulina (ver Ilustración 7).. Dispositivo Hobo protegido de los rayos directos del sol Ilustración 7 Dispositivo Hobo con techo protector de papel. A continuación en la Ilustración 8 y Ilustración 9 se aprecia la ubicación de algunos de los dispositivos de medición (hobos) a la salida del colector solar, inicio y final de la chimenea.. 1. Se aclara que la salida del colector corresponde con la entrada a la zona de secado y que la entrada a la chimenea corresponde con la salida de la zona de secado.. 28.

(29) Dispositivos Hobos protegido de los rayos directos del sol. Ilustración 8 Ubicación de Hobos dentro del secador Solar. Dispositivo Hobo ubicado al final del sector de la chimenea. Ilustración 9 Ubicación del Hobo en la sección final de la chimenea. •. Temperatura superficial de la placa colectora:. Para registrar la temperatura superficial de la teja de zinc se adhirio dos termopares tipo K al inicio y a la salida de la placa colectora. El registro de esta variable servirá para analizar la diferencia de temperaturas en la entrada y salida del colector por efecto de la radiación solar y el flujo de aire caliente.. 29.

(30) Termopar tipo K adherido a la superficie de la placa colectora. Ilustración 10 Ubicación del termopar y Hobo en el colector solar. •. Estratificación de la temperatura en el área transversal del secador solar:. Para medir la estratificación de la temperatura en el primer experimento se utilizó el montaje de la Ilustración 11 en donde la estructura de balso sostenía los tres termopares. El montaje de la Ilustración 12 fue utilizado para los experimentos restantes, el cual consta de estructura en balso, que sostiene el anemómetro y tres tubos de PVC, en los cuales se les introdujo los termopares. Los tubos de PVC evitan que la radiación directa del sol o proveniente de otras superficies calientes caiga sobre el sensor de temperatura. Los tubos de PVC quedaron en dirección al flujo de aire horizontal a una altura con respecto a las bandejas de secado de 3cm, 19cm y 35cm respectivamente. El propósito de medir la estratificación de la temperatura del aire es de apreciar el gradiente térmico debido a la variación en la densidad del aire con la temperatura para tres puntos en el área transversal del secador.. 30.

(31) Termopar: Punto Alto Termopar: Punto Medio Termopar: Punto Bajo. Ilustración 11 Montaje Inicial para los termopares tipo K. Termopar: Punto Alto Anemómetro de hilo caliente. Termopar: Punto Medio Termopar: Punto Bajo. Ilustración 12 Montaje final para el anemómetro y termopares tipo K. 4.4.2 Humedad Relativa •. Humedad Relativa del ambiente:. La medición de la humedad relativa del ambiente fue tomada bajo techo en un punto externo al secador solar utilizando un dispositivo Hobo. El registro de la humedad relativa del ambiente servirá para comparar los valores de humedad del aire dentro y fuera del secador solar.. 31.

(32) •. Humedad Relativa dentro del secador solar.. La humedad relativa dentro del secador solar es registrada por los mismos dispositivos Hobo, para cuatro puntos dentro del secador solar: 1) Inicio colector solar, 2) Salida colector solar, 3) Inicio chimenea y 4) Final chimenea. El objetivo del registro de esta variable es de observar el comportamiento de la humedad relativa del aire dentro secador solar para el tiempo de duración de los experimentos.. 4.4.3 Humedad del producto en base húmeda Para obtener la humedad en base húmeda para las diferentes muestras de almidón de sagú, se utilizó la balanza de humedad XM 120 marca Precisa (ver especificaciones en Tabla 5). Las muestras de almidón de sagú serán recolectadas en diferentes puntos (ver ubicación en la Figura 10) con el fin de obtener la variación de humedad del producto y la curva de cinético de secado. La curva de cinética de secado es una gráfica que registra el contenido de humedad del producto con respecto al tiempo (ver Gráfica 1).. Gráfica 1 Ejemplo de la curva de cinética de secado (Maupoey, 2001). 32.

(33) 4.4.4 Radiación Solar: Para medir la radiación solar se utilizará el pirómetro con el fin de calcular la energía que el sistema absorbe. Este valor de energía será útil para calcular los valores de eficiencia del colector solar al conocer el valor de irradiación solar. Por motivos de seguridad el piranómetro no se puede dejar en el lugar, por lo que se construyo un piranómetro casero (ver sección 4.5 Propuesta de Piranómetro Casero).. 4.4.5 Velocidad del Aire dentro del secador solar La velocidad del aire será medido utilizando el anemómetro de hilo caliente para un punto ubicado en la mitad de las bandejas de secado. En la Ilustración 12 se aprecia el montaje utilizado para medir la velocidad del aire dentro del secador. Estas mediciones serán útiles para calcular el flujo másico de aire y observar el comportamiento de las velocidades del aire durante el tiempo de duración de los experimentos.. 4.5 Propuesta de Piranómetro Casero Debido a que el piranómetro Eppley se encuentra ubicado en la parte externa del secador solar y a problemas de seguridad en el área, se pensó en construir un piranómetro casero. Se construyó un piranómetro casero (ver Ilustración 13), el cual contiene en el centro una platina de aluminio pintada de negro mate (dimensiones: 5cmx5cmx0.3cm), espuma de poliuretano como aislante, vidrio incoloro de 3mm y una base de madera la cual sirve para soportar los elementos antes mencionados. Dicho dispositivo sería utilizado para estimar la radiación solar, mediante la relación de la temperatura de la platina de aluminio y la radiación solar.. 33.

(34) Ilustración 13 Piranómetro Eppley y piranómetro casero. •. Registro para los datos de radiación solar:. Debido a que el piranómetro Eppley no almacena datos de radiación, se utilizó una tarjeta de amplificación CT4 para primero amplificar la señal de voltaje y posteriormente almacenar los datos en el Hobo. El datos de radiación solar serán útiles para tener la relación de radiación y la temeratura de la platina de aluminio. Se procedió a obtener la función de amplificación de la señal de voltaje para la tarjeta de amplificación. En la Gráfica 2 se aprecia la función de amplificación, en donde en el eje X, estan los valores de voltaje a la salida del piranometro y en el eje Y, se encuentran los valores del voltaje a la salida del amplificador. Conociendo la función de amplificación y el valor de voltaje amplificado, se podrá conocer el valor del voltaje a la salida del piranómetro.. Gráfica 2 Curva de la calibración para la tarjeta amplificación (Canal 1). 34.

(35) •. Calibración del Piranómetro Casero. La calibración del piranómetro casero fue realizada en la ciudad de Zipaquirá, Cundinamarca, el día 7 de Noviembre del 2011 (7:40 am a 3:00 pm), en donde se midió la radiación solar cada 30 segundos, obteniendo un total de 883 datos. Se utilizó la tarjeta de amplificación Audon Electronics y un dispositivo Hobo para almacenar los datos de voltaje. Utilizando los valores de voltaje almacenados y la función de amplificación, se calculó el valor de radiación solar. Al medir diferentes valores de radiación solar para las mismas temperaturas, se utilizó un código en Matlab (ver Anexo 2) para poder clasificar y obtener un promedio de radiación solar para cada temperatura. Se procedió a graficar los datos de radiación solar y la temperatura de la platina en la Gráfica 3.. Gráfica 3 Curva de calibración para el piranómetro casero. 4.6 Programación Registradores de Datos (Hobos). Para la programación y descarga de la información de los Hobos se utilizó el programa Boxcar Versión 3.6.. 35.

(36) Figura 9 Programa Boxcar V 3.6 Hobos. Al realizar el registro de datos se debe dejar abiertos los canales de temperatura, humedad relativa, y dos de señales de voltaje, en donde se programaron los siguientes intervalos de tiempo. Intervalos (min) 2 Min 2 Min, 30 Seg 3 Min 3 Min, 30 Seg 4 Min. Cuatro Canales Abiertos Duración 2 Días, 18 Horas 3 Días, 10 Horas 4 Días, 3 Horas 4 Días, 18 Horas 5 Días, 10 Horas. Tabla 3 Canal abierto para registro de datos. Los intervalos de tiempo para registrar los datos son definidos por el programa BoxCar V 3.6, en donde al elegir los canales utilizados, se define la duración en días para almacenar los datos. Los intervalos de tiempo para el registro de datos en el primer experimento fueron de ∆t:4min, debido a que la duración de 5 días y 10 horas coincidía con los cinco días de pruebas. Para el experimento 2 y 3, el intervalo fue registro de datos fue de ∆t:2.5 min, debido a que se necesita un total de tres días de registro para las pruebas.. 4.7 Recolección y almacenamiento de muestras de almidón de sagú: Dentro de la sección de recolección y almacenamiento de muestras de almidón de sagú se hablará de la forma como se obtendrán, guardaran e identificaran las diferentes muestras: •. Almacenamiento de muestras. 36.

(37) Se adquirió un total de 60 tubos de ensayo (con tapón de caucho) y su respectiva caja de acrílico para guardar las muestras (ver Tabla 4 para revisar cantidad de muestras para cada experimento). Esta caja de acrílico ayudó a organizar los tubos y a transportar las muestras de manera fácil. Para evitar que dentro del tubo de ensayo quede aire, que pueda afectar la humedad del producto, se utilizó barras de vidrio con perfil circular para poder introducirlas y así ocupar el volumen del aire.. Ilustración 14 Tubos de Ensayos con tapón y Perfil de Vidrio de 9mm. •. Muestreador para sólidos. Se procedió a construir un muestreador para sólidos (ver Ilustración 15), a partir un tubo de 5/8” y 1/2“y una barra de 1”de aluminio. Con la barra de aluminio de 1” se manufacturó un cono recto con ángulo de 45°, que servirá como de punta para penetrar el material y así obtener una muestra inferior en las bandejas de secado. Los dos tubos de 5/8” y 1/2" se cortaron a una longitud de 5 y 8cm respectivamente, y se inserto el tubo de menor diámetro dentro del mayor. Finalmente se le hizo un agujero en uno de los extremos de los tubos y se ensamblo el cono recto al tubo de 5/8”. El muestreador funciona en la medida que al girar el tubo interno, éste coincida con el agujero del tubo externo y así lograr que el almidón cayera en el interior tubo. Esta herramienta fue utilizada para obtener muestras a una profundidad constante de 2.5cm. En las bandejas de secado, el material tiene una altura de 5cm, por lo tanto con el muestreador se buscó obtener una muestra de 0.5gr a una profundidad constante.. 37.

(38) Ilustración 15 Muestreador para sólidos y embudo de plástico. •. Recolección para las muestras de almidón de sagú. En la Figura 10 cada letra (A, B, C, D, E, F, G, H) simboliza un punto dentro de la zona de las bandejas de secado, la cual contiene doce bandejas ubicadas en dos líneas paralelas de seis bandejas cada una. Las muestras sobre la capa del producto (A, C, E, G) fueran tomadas por la mañana y tarde, mientras las muestras inferiores (B, D, F, H) se tomaron sólo en la tarde. Los horarios de recolección en la mañana aproximadamente son entre las 7-9 am, hora en que el trabajador inicia su jornada en la finca. Mientras en la tarde se recoge las muestras entre las 5-6pm hora en que el trabajador termina su jornada.. Puntos de Muestreo del material y Horarios de Recolección Puntos de Ubicación Horario A Mañana/Tarde B Tarde C Mañana/Tarde D Tarde E Mañana/Tarde F Tarde G Mañana/Tarde H Tarde Figura 10 Sistema identificación muestras por días. 38.

(39) Se toma una muestra en la superficie y en la profundidad del almidón, para determinar como la humedad del producto varia con respecto a un punto superior e inferior dentro de la bandeja de secado. Las muestras recogidas serán utilizadas para graficar la curva de cinética de secado, y analizar la pérdida o ganancia de humedad del producto por efecto del aire caliente o frío. La Tabla 4 refleja las muestras totales recolectadas para cada experimento y para cada punto de ubicación, definidas previamente en la explicación de cada uno de los experimentos. Muestras de la humedad del almidón de sagú Experimento / Duración 1 / 5 días 2 / 3 días 3 / 3 días Cantidad de muestras para los experimentos Puntos de ubicación A 10 8 8 B 5 4 4 C 10 8 8 D 5 4 4 E 10 8 8 F 5 4 4 G 10 8 8 H 5 4 4 Total muestras 60 48 48 Tabla 4 Cantidad de muestras de Almidón. A continuación se presentara las especificaciones y características de los equipos utilizados para los diferentes procesos de experimentación:. 39.

(40) 4.8 Instrumentación y Equipos de Medición Variable Radiación Solar. Equipo Eppley Precision Spectral Pyranometer Model PSP- Instrument No.28101 F3.. Rangos Rango Disponible 2 0-2800 W/m. Frecuencia Frec. Disponible -Tiempo de Respuesta: 1 segundo.. Rango Requerido 2 0-1400 W/m. Frec. Requerida -30 segundos. Pruebas -El piranómetro será utilizado para obtener la curva de calibración entre la radiación solar y la temperatura de la platina de aluminio para el piranómetro casero (ver Ilustración 13). .. Figura 11 Piranómetro Eppley. Velocidad del Aire. Especificación Técnica: -Tamaño [pulgadas]: 5.75 diámetro, 3.75 altura. -Peso: 7 libras. -Orientación: El rendimiento no se ve afectado por la orientación o inclinación. Radiación Solar -Precisión: ±0.5% (linealidad) -Constante del Piranómetro: [Volts/(W/m2)]: 8.67x10-6 Termo-Anemómetro de Hilo Caliente Modelo SDL350. Rango Disponible 0.5 a 5 m/s Rango Requerido 0-1 m/s. Figura 12. Anemómetro de Hilo Caliente. Especificación Técnica:. 40. Frec. Disponible Tiempo de Respuesta: 1 segundo. Frec. Requerida - 1 min.. -Se tomará la medición de la velocidad del aire en la parte del secador del túnel de secado para cada experimento..

(41) -Precisión Anemómetro [m/s]: ±5%lectura + 0.1 -Resolución Anemómetro [m/s]: 0.01. Temperatura. Temperatura -Precisión [°C]=0.8 -Resolución[°C]=0.1 -Rango [°C]=50 Hobo: H08-007-02 Data Logger. Rango Disponible -20°C a +70°C Rango Requerido -10°C a 70°C. Frec. Disponible 0.5 segundos a 9 horas. Frec. Requerida Se tomó datos programados en el HOBO, dependiendo del total de días del experimento. (Ver Tabla 3).. -Se tomaran los datos de la temperatura para los tres experimentos en los siguientes puntos dentro del secador solar: 1) Punto externo al secador solar, 2) Inicio colector, salida colector, 4) Inicio chimenea, 5) Salida chimenea. Rango Disponible 0 - 95% de HR sin condensación. Rango Requerido. Frec. Disponible 0.5 segundos a 9 horas.. -Se tomaran los datos de la humedad relativa para los tres experimentos en los siguientes puntos dentro del secador solar: 1) Punto externo al secador solar, 2) Inicio colector, salida. Figura 13 Hobo Data Logger. Humedad Relativa. El Hobo un aparato autónomo, que cuenta con un medidor de temperatura y sistema de adquisición de datos, que incluye dos canales externos para registrar valores de voltaje proveniente de otro equipo o instrumento. Especificación Técnica: -Capacidad Máxima de Datos: 7944 -Precisión del tiempo: aprox. ± 1 minuto por semana. -Peso [g]: 30 Temperatura -Rango de Registro [°C]: -20 a +70 -Precisión[°C]: ±1.25 a 25°C - Resolución [°C]: 0.01 Hobo: H08-007-02 Data Logger. 41. Se tomó datos programados en el.

(42) Figura 14 Hobo Data Logger. Humedad Producto. El Hobo es un aparato autónomo, que cuenta con un higrómetro y sistema de adquisición de datos, que incluye dos canales externos que registran valores de voltaje proveniente de otro equipo o instrumento. Especificación Técnica: Humedad Relativa -Precisión Humedad Relativa[%]:± 5 -Rango de Registro de Humedad [%]:25-95 a 25°C -Resolución Humedad [% HR]:0.1 Balanza de Humedad XM 120 (Marca Precisa). 0%-100%. HOBO, dependiendo del total de días del experimento. (Ver Tabla 3).. colector, 4) Inicio chimenea, 5) Salida chimenea. Rango Disponible 0-100% Rango Requerido 10-45%. Para ver la frecuencia de la recolección de las muestras del almidón de sagú (ver Tabla 4). -Se medirá el porcentaje de humedad (b.h) para cada uno de los procesos de secado.. Figura 15 Balanza de Humedad XM 120. Especificación Técnica: -Rango del Peso de la muestra [g]: 0.2-124 -Precisión Pesaje [g] : 0.001 -Fuente de Calorífero: Halógena, IR quarz rod -Rango de Temperatura: 30-230°C -Graduación Temperatura: 1°C Humedad del Material Rango Humedad: 0-100% Precisión Humedad [%] :0.01 Resolución Humedad [%]:0.01. Tabla 5 Equipos utilizados en el desarrollo de los experimentos. 42.

(43) 2 Tarjetas de Amplificación CT4 Audon Electronics.. •. 6 Termopares tipo K.. Salidas de tarjeta de amplificación Ilustración 17 Termopares tipo K. Termopares conectados a la tarjeta de amplificación. Conexión a la fuente de voltaje Ilustración 16 Tarjeta de Amplificación CT4 Tabla 6 Instrumentos y sistemas de medición. 43.

(44) 4.9 Consideraciones dentro de la experimentación • El anemómetro de hilo caliente SDL350 no incluye en su caja original, el adaptador AC de 9V, por lo que se adquirió en el comercio un adaptador regulable de fuente múltiple de 800mA. Al realizar el primer experimento, utilizando el adaptador de voltaje, el equipo no registro datos cuando se reguló su voltaje a 9V. Para los experimentos dos y tres, el equipo sólo registro datos cuando el voltaje fue ajustado a 4.5V, por lo anterior para el primer experimento no se tienen datos de velocidad del aire. • En algunos períodos de tiempos, durante los experimentos, no se registraron datos de temperaturas y humedad relativa por alguno de los siguiente motivos: -Según las especificaciones técnicas de los dispositivos Hobos (ver Tabla 5), el rango de operación para registro de datos ocurre para temperaturas entre -20 y 70°C y humedades relativas entre 25 y 95%. Al presentarse condiciones de temperaturas y humedad por fuera de los rangos de operación, aleatoriamente alguno de los dispositivos dejaron de registrar datos. -Por cortes de energía o desconexión del cable alimentador de voltaje en las tarjetas de amplificación o del anemómetro se dejaron de registrar datos.. 44.

(45) 5. Resultados A continuación se presentan los resultados para los tres experimentos de las mediciones de temperaturas y humedades, velocidad del aire y la graficas de la evolución del proceso de secado.. 5.1 Resultado de Experimento 1 Experimento 1: Proceso secado del almidón de sagú con convección natural A continuación se muestra los resultados de temperaturas del secador solar para el primer experimento:. Gráfica 4 Temperatura del aire (Experimento 1). En la Gráfica 4 se puede analizar el efecto invernadero generado por la cubierta de plástico, en donde la temperatura interior es mayor que la exterior en horas de radiación solar. Se alcanzaron valores máximos de temperaturas de 49°C a la entrada de la chimenea. A continuación se aprecia la gráfica de temperatura del aire dentro del secador solar para un ciclo de 6:00am- 6:00am del día 21/9/2012.. 45.

(46) Gráfica 5 Temperatura del aire 21/9/2012 (Experimento 1). En la Gráfica 5 se aprecia que entre las 6:00 am y 5:00pm los puntos de mayor temperaturas fueron a la entrada y salida del secador. Para el proceso de secado es conveniente que en la zona de ubicación de las bandejas se registre las mayores temperaturas, esto sin llegar a la temperatura de gelatinización. Entre mayor sea la temperatura, el efecto de evaporación del agua contenida en el producto aumenta, debido a que las moléculas del agua adquieren la suficiente energía para vencer las fuerzas intermoleculares que las mantienen unidas pasando de un estado líquido a vapor. Finalmente a partir de las 5:00pm las temperaturas empiezan a bajar de manera uniforme, manteniéndose entre 10°C y 15°C.. A continuación se presenta la gráfica de humedad relativa del aire para el primer experimento:. 46.

(47) Gráfica 6 Humedad Relativa del aire (Experimento 1). Se observa en la Gráfica 6 que para un periodo de 6pm a 6 am la humedad lleva a valores por encima del 90%. A continuación se graficará los datos de humedad relativa para un día de pruebas del 21/9/2012, para ver de forma más clara la evolución de la humedad relativa:. Gráfica 7 Humedad Relativa del aire 21/9/2012 (Experimento 1). En la Gráfica 7 se observa que durante el día la humedad relativa del aire dentro del secador es menor que el aire externo, generando una situación adecuada para el proceso 47.

(48) de secado. En las horas de la noche la humedad relativa externa es menor a la interna, perjudicando el proceso de secado pues el producto tiende a retomar humedad. La rehumectación del almidón se puede observar en las gráficas de la cinética de secado. A continuación se graficará los datos de estratificación de la temperatura para el primer experimento:. Gráfica 8 Estratificación de la temperatura del Aire (Experimento 1). Para observar un comportamiento más claro de la estratificación de la temperatura se escogerá un periodo más corto de datos de 6:00am-6:00am del día 21/9/2012 (ver Gráfica 9).. 48.

(49) Gráfica 9 Estratificación de la temperatura del aire 21/9/2012 (Experimento 1). Los resultados de esta prueba, no muestran una estratificación clara de la temperatura en las horas del día, por lo que se decidió diseñar una el montaje de la Ilustración 12. En este experimento se esperaba que los puntos altos registraran siempre temperaturas mayores a los otros dos puntos. El nuevo montaje, el cual será utilizado para los experimentos faltantes, evitará que la radiación directa del sol o proveniente de otras superficies calientes caiga sobre el sensor de temperatura y así afecte los resultados. A continuación se presentara los resultados de la temperatura superficial del colector solar para el primer experimento:. 49.

(50) Gráfica 10 Temperatura placa de zinc (Experimento 1). En la Gráfica 10 se analiza que la temperatura a la salida del colector es mayor, pero no se presenta una diferencia marcada, lo que podría deberse a que la convección natural no genera un flujo de aire suficiente para que la salida de la placa colectora se caliente en mayor proporción Para este experimento hubo una falta de registro en los datos de temperaturas, ocasionado por una un error dentro de los registro de datos. A continuación se muestra la curva de cinética de secado para el primer experimento, en donde se graficaron los puntos de humedad para el almidón de sagú. Se aclara que los puntos superiores de la capa de producto son representados en la gráfica por medio de símbolos conectados con líneas mientras que los puntos inferiores de la capa, con símbolos sin líneas.. 50.

(51) Gráfica 11 Curva de cinética de secado del almidón de sagú (Experimento 1). En la Gráfica 11 se observa humedades del almidón iniciales de 45% b.h y para el quinto día valores de humedad alrededor de 20% b.h. Dentro de la gráfica se observa la rehumectación del almidón en las horas de la noche por efecto de la saturación del aire dentro del secador solar.. 51.

(52) 5.2 Resultado del Experimento 2 Experimento 2: Proceso secado del almidón de sagú con convección forzada A continuación se muestra los resultados de temperaturas del secador solar para el segundo experimento, el cuál duro un total de 3 días.. Gráfica 12 Temperatura del aire (Experimento 2). En la Gráfica 12 se puede observar un aumento y caída de temperaturas dentro de los mismos horarios, 6am y 5pm respectivamente, periodo en donde sale y se oculta el sol. En las noches se observa temperaturas promedios dentro del secador solar de 15 °C. Debido a que ventilación forzada y la radiación solar incidió sobre el aire en la sección del colector, se registró temperaturas mayores a la entrada y salida del secador. Se alcanzaron valores máximos de temperaturas de 48.5°C a la salida del colector solar. A continuación se aprecia la gráfica de temperatura del aire para el día 14/10/2012 de 6:00am- 6:00am.. 52.

(53) Gráfica 13 Temperatura del aire 14/10/2012 (Experimento 2). En la Gráfica 13 se aprecia de manera más clara que en las horas del medio día, donde hay mayor radiación solar, las temperaturas fueron máximas en la sección del secador. Para el proceso de secado, es conveniente que en la sección de las bandejas se registre las mayores temperaturas, esto sin llegar al punto de temperatura de gelatinización. A continuación se presenta la gráfica de humedad relativa del aire para el segundo experimento:. Gráfica 14 Humedad Relativa del aire (Experimento 2). 53.

(54) En la Gráfica 14 se observa que en esta ocasión la humedad relativa externa igualó a la interna por efectos de fuertes lluvias en las noches mencionadas por el encargado de la finca. Los valores altos de humedad relativa se presentan en las horas en donde las temperaturas del túnel de secado son bajas (10°C a 15°C). A continuación se muestra un día de registro de datos para humedad relativa registrados para el 14/10/2012 de 6am a 6am.. Gráfica 15 Humedad Relativa del aire 14/10/2012 (Experimento 2). En la Gráfica 15 se aprecia que los valores de humedad relativa entre las 7am y 5pm, horas donde hay radiación solar, son menores a la humedad relativa del ambiente. Esta última condición favorece el proceso de secado, en donde al tener un aire seco, aumenta la capacidad del aire de contener vapor de agua del almidón. A continuación se presenta la gráfica de estratificación de la temperatura del aire para el segundo experimento:. 54.

(55) Gráfica 16 Estratificación de la Temperatura del aire (Experimento 2). Se observa en la Gráfica 16 una estratificación de la temperatura más clara en comparación con el experimento 1, producto del diseño de un nuevo montaje. Los puntos altos registran valores superiores a los puntos medios y bajos, alcanzando valores máximos de 47°C. A continuación se presenta la gráfica de la temperatura superficial de la placa colectora para el segundo experimento:. Gráfica 17 Temperatura placa de zinc (Experimento 2). 55.

(56) En la Gráfica 17 se observa la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del colector, en donde se presentan diferencias máximos de temperatura entre las 12-1pm, horas en que hay mayor radiación solar. El colector solar logra temperaturas máximas a la salida de 68°C y mínimas de 13°C: A continuación se presentan la gráfica de la velocidad del aire para el segundo experimento:. Gráfica 18 Velocidad del aire dentro del secador solar (Experimento 2). A partir de la Gráfica 18 se aprecia una variación de la velocidad del aire, obteniendo valores máximos de 0.5 m/s y periodos en donde no hay circulación de aire (valores de velocidad iguales a cero). A continuación se muestra la curva de cinética de secado para el segundo experimento, en donde se graficaron los puntos de humedad para el almidón de sagú.. 56.

(57) Gráfica 19 Curva de cinética de secado del almidón de sagú (Experimento 2). 2. En la Gráfica 19 se observa que para tres días de humedad el producto inicia con un promedio de humedad de 40% llegando a valores de 22% (b.h). Dentro de la gráfica se observa la rehumectación del almidón para todas las muestras a partir del primer día, por efecto de las condiciones internas de humedad y temperatura del secador solar.. 2. Se aclara que los puntos superiores de la capa de producto son representados en la gráfica por medio de símbolos. conectados con líneas mientras que los puntos inferiores de la capa, con símbolos sin líneas.. 57.

(58) 5.3 Resultado del Experimento 3 Experimento 3: Proceso secado del almidón de sagú con convección forzada, cubierta de vidrio y alargamiento de la chimenea. A continuación se muestra los resultados de temperaturas del secador solar para el segundo experimento, el cual tuvo una duración de tres días.. Gráfica 20 Temperatura del aire (Experimento 3). En la Gráfica 20 se puede observar un aumento de la temperatura dentro del secador por efecto de cambio de cubierta, en donde el vidrio generó una intensificación en el efecto invernadero. Para este experimento se obtuvo valores máximos de temperatura de 53 °C cuyo valor es menor a la temperatura de gelatinización del almidón. A continuación se aprecia la gráfica de temperatura del aire para el día 3/11/2012 de 6:00am- 6:00am.. 58.

(59) Gráfica 21 Temperaturas del aire 3/11/2012 (Experimento 3). En la Gráfica 21 se observa que los puntos de mayor temperatura siguen siendo a la salida del colector y al inicio de la chimenea, lo que es ideal que la temperatura sea máxima en el área de las bandejas para propiciar el proceso de evaporación del contenido de agua del almidón. En las horas de la noche se registra un comportamiento homogéneo de la temperatura en donde se mantiene la temperatura entre los 10°C y 15°C. A continuación se presenta la gráfica de humedad relativa del aire para el tercer experimento:. 59.

(60) Gráfica 22 Humedad Relativa del aire (Experimento 3). Se observa en la Gráfica 22 que la humedad relativa sigue teniendo valores altos en las horas donde no hay radiación solar (6pm a 6am), periodo en donde disminuye la temperatura dentro del secador solar. A continuación se muestra un día de registro de datos para humedad relativa registrados el 3/11/2012 de 6am a 6am .. Gráfica 23 Humedad Relativa del aire 3/11/2012 (Experimento 3). 60.

(61) En la Gráfica 23 se observa que entre las 7am y 5pm, horas donde hay radiación solar, la humedad relativa para todos los puntos del secador solar son menores en comparación a la humedad relativa del ambiente. Esta última condición favorece el proceso de secado, en donde al tener un aire seco, aumenta su capacidad para contener vapor de agua del almidón. A continuación se presenta la gráfica de estratificación de la temperatura del aire para el tercer experimento:. Gráfica 24 Estratificación de la temperatura del aire (Experimento 3). En la Gráfica 24 se aprecia una estratificación de la temperatura en donde los puntos altos registran mayores temperaturas, por efecto de la densidad del aire caliente. En la noche se registran valores de temperaturas entre 10°C y 15°C, logrando al medio día un valor máximo a 59°C. A continuación se presenta la gráfica de la temperatura superficial de la placa colectora para el tercer experimento:. 61.

(62) Gráfica 25 Temperatura placa de zinc (Experimento 3). Se aprecia en la Gráfica 25 una diferencia notable de temperaturas entre la entrada y salida de la placa colectora. Existen valores máximos de temperatura a la salida de la placa colectora de hasta 86°C, producto de la intensificación del efecto invernadero producido por la cubierta de vidrio. Este aumento de temperatura de la placa colectora genera que el aire que circula dentro del secador sea más caliente, lo que favorece el proceso de evaporación del agua del almidón. A continuación se presenta la gráfica de la velocidad del aire para el tercer experimento:. 62.

Referencias

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