Embed Size (px)
Citation preview
1
SECADOR SOLAR MIXTO PARA LA DESHIDRATACIÓN
DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS “EL CAFÉ”
JOSE ALEJANDRO CHÁVARRO FALLA
DOCUMENTO DE GRADO
GREGORIO ORLANDO PORRAS REY Dr.Sc. Profesor Asociado
Asesor
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
2010
2
CONTENIDO
1. Introducción........................................................................................................................7 2. Objetivos.............................................................................................................................9 2.1. Objetivo General..................................................................................................9 2.2. Objetivos Específicos...........................................................................................9 3. Justificación......................................................................................................................10 4. Marco Teórico...................................................................................................................11
4.1. Secado Solar......................................................................................................11 4.1.1. Radiación............................................................................................13 4.1.2. Velocidad del Viento............................................................................20 4.1.3. Humedad..............................................................................................21 4.2. Secadores Solares...............................................................................................22 4.2.1. Secador Solar Directo...........................................................................23 4.2.2. Secador Solar Indirecto..........................................................................23 4.2.3. Secador Solar Mixto................................................................................24 4.2.3.1. Colector................................................................................26 4.2.3.2. Cámara de Secado.................................................................27 4.2.3.3. Chimenea................................................................................28 4.3. El Café..................................................................................................................28 4.3.1. Dispositivo para Curvas de Secado.........................................................30 4.3.2. Curvas de Secado.....................................................................................36 5. Diseño del Secador. ..........................................................................................................40
5.1. Condiciones de Diseño. ....................................................................................40 5.2. Diseño Colector.................................................................................................42 5.3. Diseño Cámara...................................................................................................44 5.4. Diseño Chimenea...............................................................................................47 5.5. Accesorios..........................................................................................................52
5.5.1. Bandejas de Secado...................................................................................52 5.5.2. Puerta........................................................................................................52
5.6. Materiales...........................................................................................................53 5.7. Construcción del Secador..................................................................................53
6. Puesta a punto...................................................................................................................56 6.1. Instrumentación..................................................................................................56
6.1.1. Fotorresistencia........................................................................................56 6.1.2. Anemómetro..............................................................................................57 6.1.3. Sistema de Adquisición de datos (Hobos).................................................58 6.1.4. Tensión superficial (Puntas y bandejas de Agua) y Pruebas de
Evaporación. ……...............................................................................................60 6.2. Calibración de los Instrumentos. ......................................................................61
7. Resultados y Análisis.........................................................................................................62 8. Conclusiones.....................................................................................................................68 9. Recomendaciones..............................................................................................................69 10. Referencia Bibliográfica.................................................................................................70 Anexos y Tablas....................................................................................................................73
3
LISTA DE SÍMBOLOS Hb: Radiación solar directa. [W*h/m2] Hd: Radiación solar difusa. [W*h/m2] I’: Componente vertical de la radiación solar directa. [W*h/m2] I: Radiación solar incidente sobre la tierra. [W/m2] h: Ángulo de inclinación del sol sobre el horizonte. [ º ] H: Radiación global. [kW.*h/m2] G: Radiación [W/m2] V: Voltaje que arroja el radiómetro según la intensidad de luz [Volts] C: Constante de frecuencia modulada [µV/W/m2] S.E. Sur Este HR: Humedad Relativa [%]. Bi: Número de Biot. Fo: Número de Fourier. h: Coefi ciente de transferencia de calo r en la superficie [W/m2 *º K]. Lc: Longitud característica en [m]. Ksolido: Conductividad térmica del producto [W/m*º K]. α: Difusividad Térmica [m2/s]. t: Tiempo característico [s]. ρaire: Densidad del aire.[kg./m3] Velaire: Velocidad del aire. [m/s] Acolector: Área del colector [m2]. Cpaire: Calor especi fico del aire [KJ/Kg.]. ∆TCol: Cambio de Temperatura del aire dentro del colector [º C]. Tfinalcol: Temperatura final salida del colector [º C]. . Acámara: Área de la cám ara [m2]. ∆TCám: Cambio de Temperatura del aire dentro de la cám ara [º C]. DH: Diámetro Hidráulico [m]. A: Altura [m]. B: Base [m] µ: Viscosidad Dinámica del aire [Pa*s]. c: Velocidad del viento [m/s]. c0: Coefi ciente de pérdidas por fri cción.
Maf: Masa de agua que queda en el producto [gr.] Ms: Masa de materia seca del producto final [gr.] Hf: Humedad final del producto [%] Vsecado: Volumen secado [m3] Minicial: Peso inicial de muestra [gr.] MH2O inicial: Masa inicial de agua en el producto [gr.] Msolinicial: Masa inicial en el producto [gr.] MH2O final: Masa final de agua en el producto [gr.] Mfinal: Masa final de la muestra [gr.]
4
LISTA DE TABLAS PÁGINA Tabla 1. Condiciones Ambientales para el sitio del ensayo………………………………………………….……...40 Tabla 2. Constantes utilizadas en la etapa de diseño……………………………….……………….……………….42 Tabla 3. Variables derivadas del diseño del colector………………………………………………..……………….43 Tabla 4. Dimensiones definitivas del colector después de la etapa de diseño.…………………….……………...44 Tabla 5. Variables derivadas del diseño de la cámara………………………………………………..……………..45 Tabla 6. Dimensiones definitivas de la Cámara después de la etapa de diseño…………...……………………..46 Tabla 7. Diámetros Hidráulicos………………………………………………………………………………………...47 Tabla 8. Número de Reynolds…...……………………………………………………………………………………...47 Tabla 9. Coeficientes de Perdidas por fricción………..……………………………………………………….…….48 Tabla 10. Perdidas a través de todo el secador…………..…………………………………………………….……48 Tabla 11. Varias utilizadas para determinar la longitud de la chimenea…………………………………….…...49
5
LISTA DE FIGURAS PÁGINA Figura 1. Componente directa de la radiación solar……..…………………………………………………………14 Figura 2. Radiómetro infrarrojo de Precisión…………….………………………………………….………………15 Figura 3. Secador Solar Directo………………………………………………………………………………………..23 Figura 4. Secador Solar Indirecto……………………………………………………………………………………...24 Figura 5. Secador Solar Mixto………………………………………………………………………………………….25 Figura 6. Colector Solar…………………………………………………………………………………………………26 Figura 7. Cámara de Secado y Chimenea…………………………………….……………………………………….27 Figura 8. Secador utilizado como generador del aire caliente……………………………………………………..31 Figura 9. Dispositivo para curvas de secado…………………………………………………………………………31 Figura 10. Porta muestras y unión de PVC…………………………………………………………………………..32 Figura 11. Porta muestras fabricado en aluminio y pegado con epóxico…………………….…………………...33 Figura 12. Rectificador de Flujo………………………………………………………………………………………..33 Figura 13. Montaje total. Mariposa reguladora de flujo……………………………………………………………34 Figura 14. Balanza Acculab……………………………………………………………………………………..………34 Figura 15. Montaje Total…………………………………………………………………………………..…………….35 Figura 16. Muestra de Café para ser secado dentro del porta muestra…………………………..……………….35 Figura 17. Cronometro…………………………………………………………………………………….…………….36 Figura 18. Colector Solar terminado forrado en plástico de invernadero………………………………..………43 Figura 19. Colector Solar terminado……...…………………….……………………………………..………………44 Figura 20. Secador Diseñado completamente terminado……...……………………………..………….…………46 Figura 21. Placa metálica del colector solar…………………………………………………….……………………46 Figura 22. Diagrama de flujo de los pasos de diseño……………………………………………………….……….50 Figura 23. Secador Diseñado en Solid Edge………………………………………………………………….………51 Figura 24. Cámara y Chimenea terminadas…………………………………………………..………………………51 Figura 25. Bandejas de Secado…………………………………………………………………………………………52 Figura 26. Puerta del secador…...…………………………………………………………………..…………………52 Figura 27. Forma de unión entre perfiles de madera…………………………………………………..……………54 Figura 28. Marco del Colector………………………………………………………………………….………………54 Figura 29. Marco de la cámara…………………………………………………………………………………………55 Figura 30. Montaje de las fotorresistencias……………………………………………………………...……………56 Figura 31. Fotorresistencia……...…...……………………………………………………………………….…..……56 Figura 32. Anemómetro de Hilo Caliente Modelo 407123……………………………….…………………………58 Figura 33. Sistema de Adquisición de Datos………………………………………………………………….………59 Figura 34. Ubicación de los sistemas de adquisición de datos dentro del secador. ………………….…………60 Figura 35. Fotografías y diseño en Solid Edge del dispositivo para medición de la tasa de evaporación......61 Figura 36. Secador Solar Parabólico Típico…………………………………………………………...……………..73
6
LISTA DE GRÁFICAS PÁGINA Gráfica 1. Resistencia en función de Irradiación para la fotorresistencia 1…...………….………….………….16 Gráfica 2. Resistencia en función de Irradiación para la fotorresistencia 2………………………....….….……17 Gráfica 3. Comparación entre la fotorresistencia 1 y la fotorresistencia 2...………………………………….…17 Gráfica 4. Gráfica de Irradiación con la fotorresistencia 1 en la zona de estudio...…..…..…….……...………18 Gráfica 5. Gráfica de Irradiación con la fotorresistencia 2 en la zona de estudio.…...……….…..…………….19 Gráfica 6. Curvas de Secado para diferentes temperaturas…………………………....……………......………….37 Gráfica 7. Velocidad de Secado para diferentes Temperaturas……………………....………...……..………..….38 Gráfica 8. Influencia del peso en la velocidad de secado…………………………....…….…………….………….39 Gráfica 9. Velocidad del viento en un día normal en Neiva………………………………….………….………….57 Gráfica 10. Intensidad Luminosa……………………………………………………………..…………………….…64 Gráfica 11. Temperatura de los 4 Hobos dentro del secador………………………...………...…......……………65 Gráfica 12. Temperatura de los 4 Hobos dentro del secador de 6am a 6 pm………...……....…….……………65 Gráfica 13. Humedad relativa dentro del secador de los 4 Hobos………………………..….……………………66 Gráfica 14. Comparación entre el punto de Rocío y la Temperatura del Secado………….……………………67 ANEXOS PÁGINA Anexo A. Secador parabólico convencional…………………………………………………………………………..73 Anexo B. Especificaciones del anemómetro de hilo caliente………………………………………………………..73 Anexo C. Especificaciones de los sistemas de adquisición de datos (Hobos)…………………………………….74 Anexo D. Especificaciones del plástico de invernadero………………………………………….………...………..74 Anexo E. Planos del equipo……………………………………………………………………………………………...74
7
1 Introducción Debido a las condiciones ambientales en las que se realiza la producción del café, los caficultores cuentan con la oportunidad de mejorar el proceso de secado mediante el uso de
secadores solares. Este proceso es lento, ya que se realiza al aire libre aprovechando la
radiación solar directa y difusa. La caficultura tiene su principal epicentro en zonas de un rango altitudinal entre 1200 y 1800 m ubicadas a las laderas de la cordillera donde la
temperatura varía entre 17º C y 28º C13, porcentajes de humedades relativas anuales que
alcanzan valores entre 70 y 85 y entre 1300 y 2100 horas de brillo solar anuales. Unido a
esto, los caficultores no cuentan con la información técnica pertinente para poder mejorar las condiciones de secado del café.
El precio del café depende del nivel de secado, entre más seco el precio es mayor. El
secado de café toma mucho tiempo principalmente en invierno; frente al ries go de llegar a deteriorar la calidad del grano, los pequeños caficultores se ven obligados a venderlo a
contenidos intermedios de humedad de tal forma que son los intermediarios quienes se
quedan con una parte importante del valor del café.
Es por esto que se quiere diseñar un secador solar mixto que deshidrate el café y reduzca
su probabilidad de putrefacción, obteniendo un grano con menor cantidad de agua en menor
tiempo, conservando la calidad del producto y mejorando los ingresos del caficultor.
Un secador solar mixto, utilizado en este caso, posee dos fuentes de calor: una directa que
consiste en los rayos solares que inciden sobre el grano y otra indirecta que es suministrada
por un colector. El producto húmedo obtenido después de ser lavado es puesto en mallas
que se ubican dentro de la cámara de secado por las cuales pasa aire caliente que retira el
agua del producto. Este secador consta de una entrada de aire frío el cual es calentado
esencialmente por el colector solar, una cámara de secado la cual recibe radiación directa
que calienta el grano y una salida de aire caliente que va directamente al ambiente.
13 Referencia Bibliográfi ca [1]
8
El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un prototipo que, una vez
perfeccionado, pueda ser transferido a los pequeños caficultores del país para que
aprovechen las ventajas del secado solar.
9
2 Objetivos
2.1 Objetivo General:
• Desarrollo de un secador solar mixto para la deshidratación de café en
condiciones de producción de pequeños caficultores.
2.2 Objetivos Específicos:
• Caracterización del café y las condiciones ambientales de la zona cafetera.
• Establecimiento de los requerimientos de diseño.
• Construcción y puesta a punto del prototipo.
10
3 Justificación
Debido al alto costo y difícil adquisición de los combustibles fósiles en las zonas cafeteras
colombianas se ha optado por buscar energías alternativas de bajo costo, que no hagan daño
al medio ambiente y que cumplan con las condiciones necesarias para el secado del café. Es
aquí donde entra a jugar un papel importante la energía solar ya que cumple con algunas de
las condiciones mencionadas anteriormente en términos de economía y ecología, pero en
condiciones operacionales nunca tendrá la misma potencia disponible que tienen los secadores que operan con combustibles fósiles.
Los caficultores se ven afectados por las condiciones ambientales de la zona cafetera al
momento del secado en las fincas, pero son las zonas idóneas para el cultivo del mejor café
del mundo. Son zonas que se caracterizan por ser bastante húmedas y poco soleadas, lo cual
dificulta el proceso y el tiempo de secado. Esto provoca que el caficultor deba vender el
producto en un estado intermedio de secado, ya que no cuenta con los mecanismos necesarios para llegar en menor tiempo a la etapa del secado de trilla requerido para el café.
Según datos obtenidos de la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia un buen café
debe tener una humedad final entre 10-12%. A medida que el producto tiene menos agua se hace más dif ícil y toma más tiempo removerla. El caficultor no puede esperar este tiempo
porque necesita el dinero para su sustento semanal. Al no secar completamente el café
decrecen los ingresos que este recibe. El dinero que pierde el caficultor lo reciben los
intermediarios (secadores de café) que cuentan con la capacidad económica para esperar el tiempo de secado además de grandes patios en zonas cálidas donde se hace más fácil y
rápido este proceso. Se realiza también un secado mecánico en el cual el aire forzado es
precalentado mediante algún sistema de intercambio de calor para luego entrar en contacto con los granos de café húmedo, este se realiza en silos tardando entre 20 y 25 horas. Este
tipo de secado es recomendable para producciones superiores a las 50014 arrobas (6250
Kg.). Si se realiza un secado y/o almacenamiento inadecuado, el café pierde calidad y se
presentan defectos en la taza al momento de la cata, ocasionados por el almacenamiento de
café húmedo, la mezcla de cafés con contenidos diferentes de humedad, el
14 Referencia Bibliográfi ca [2]
11
rehumedecimiento, la interrupción del secado, el estar expuesto a la contaminación del
ambiente y a la acción de microorganismos, insectos, aves, roedores que tienen gran
influencia sobre la calidad. Al secar el producto de manera inapropiada se corre el ries go
que resulte de mala calidad. Con ayuda del secador solar mixto se reduce la aparición de
microorganismos los cuales son dañinos tanto para el producto final como para la persona
que lo consumirá. Por otro lado con este secador se desea disminuir tanto el espacio como
el tiempo de secado necesario para el café.
El secado solar es una alternativa viable y económica que se acopla muy bien a estas
necesidades: reduciendo el tiempo de secado, controlando tanto la temperatura como la
humedad relativa (HR) en el proceso de una manera práctica, económica y ecológica puesto
que se aprovecha la energía solar sin utilizar ningún tipo de hidrocarburo como
combustible. Todo esto dentro de los parámetros requeridos para obtener un producto de
excelente calidad.
Colombia tiene una producción promedio de 12.1 millones de sacos mensuales y se tienen
513000 caficultores15 para una capacidad productiva de 23.6 sacos mensuales por caficultor
en otras palabras 1416 Kg.
Se quiere desarrollar una herramienta ef iciente que pueda dar una mano a los caficultores
que pierden gran cantidad de dinero por no tener los mecanismos ni los recursos necesarios
para llevar el café al nivel de secado requerido, además de cumplir con los requerimientos,
disminuye el espacio y el tiempo de secado al igual que las pérdidas.
4 Marco Teórico
4.1 Secado Solar
Cuando se quiere secar lo que se busca es remover agua de cierto producto; este proceso se realiza por medio de un intercambio de calor y masa entre el producto y el ambiente, en
15 Referencia Bibliográfi ca [3]
12
otras palabras es la transferencia de un líquido procedente de un sólido húmedo a una fase
gaseosa no saturada.
Al momento del secado se expone el material húmedo a una corriente de aire a ciertas
condiciones de temperatura, humedad y velocidad, que permiten que el agua contenida en
el producto se evapore y se transfiera al aire. Para lograr dicho proceso se aumenta la
temperatura de la corriente de aire mediante un aporte energético que en este caso es la
radiación solar, luego se hace circular a través del producto húmedo y así se logra el secado o deshidratación del producto.
En este momento el mundo se encuentra en una constante búsqueda de nuevas alternativas
de energía, aprovechando principalmente las fuentes de energía que no tienen costo como
son la solar y eólica, claro que para el aprovechamiento de esta energía hay que hacer una
inversión en infraestructura y tiene un costo de operación. Como resultado de esta búsqueda
se han diseñado y desarrollado colectores solares que se utilizan actualmente para el calentamiento de agua y el secado de ropa16. A esto se adiciona el estudio de materiales y
superficies aptas para la optimización tanto de la captación y la propagación del calor
dentro y fuera de los secadores. Estos avances se han dado en países como Japón, Israel, Sudáfrica y España.
Una de las principales aplicaciones de la energía solar en estos momentos es el secado de
productos agrícolas, principalmente frutas y algunos vegetales que después del secado
conservan todas sus propiedades alimenticias. Esto se realiza para preservar la calidad del producto y poder exportar sin miedo a que el producto sea afectado por microorganismo o
hongos antes de llegar a su destino alargando así su tiempo de vida. M uchas frutas
tropicales como el banano, la manzana, uva, uchuva (entre otros) están siendo secados y exportados teniendo una muy buena acogida en el exterior, promoviéndose como una nueva
fuente de mercado.
El secado es una tecnología que se encuentra en auge debido a ser una alternativa
económica y ecológica. En este momento hay una gran variedad de secadores solares
16 Referencia Bibliográfi ca [4]
13
agrícolas dependiendo del producto, la calidad requerida, las cantidades a secar, el costo y
las condiciones meteorológicas de los sitios donde se quiere realizar el secado.
En Ibero América el desarrollo del secado solar empezó en los años setentas por las
universidades y centros de investigación de España, Perú, Chile y Brasil.
En Colombia algunas universidades (Universidad de los Andes, Universidad Nacional de
Colombia, entre otras) y centros de investigación (INEA, Cenicafé, ICA, SENA) han
trabajado para la utilización de esta tecnología realizando diseños y pruebas a diversos tipos
de secadores en diversas zonas del país y con diferentes productos17.
4.1.1 Radiación
Para hallar la disponibilidad térmica es necesario conocer la cantidad de radiación que está llegando al sitio de estudio. La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se
propaga en todas las direcciones a través del espacio por medio de ondas. La energía
procedente del sol es radiación electromagnética proporcionada por la reacción del
hidrógeno en el núcleo por fusión nuclear y emitida por la superficie. Después que la
radiación pasa la atmósfera, alcanza la superficie oceánica y continental la cual absorbe
cierta parte y refleja otra. La parte absorbida es reemitida en dirección al espacio exterior en forma de radiación de onda larga que transmite calor a la atmósfera. La energía solar
llega a la tierra en forma de radiación electromagnética o luz.
Existen dos tipos de radiación solar: la directa (Hb) y la difusa (Hd). La primera como su
nombre lo indica es la radiación solar que llega a la superficie de la tierra en forma de rayos
procedentes del Sol antes de sufrir difusión o ser reflejada.
La radiación solar directa puede ser calculada por medio de la siguiente ecuación
( )hsenIIH b ×== ' [1]
I’ componente vertical de la radiación solar directa. (W*h/m^2) I radiación solar incidente sobre la tierra. (W/m^2) h ángulo de inclinación del sol sobre el horizonte. 17 Referencia Bibliográfi ca [4], [5], [6], [7].
14
Figura 1. Componente directa de la radiación solar. Tomada de http://yuma.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones& lTipo=publicaciones& lFuncion=loadContenidoPublicacion& id=270
Por otro lado la radiación solar difusa (Hd) es la energía que incide sobre una superficie
horizontal la cual se ha difundido después de interactuar con partículas y nubes en su
recorrido hasta la tierra.
La radiación solar difusa diaria es la cantidad de radiación entre las seis de la mañana y las
seis de la tarde con valores oscilan entre 300 y 5.500 W*h/m2 al día18 dependiendo de la
zona geográfica donde se realice la medición. A medida que aumenta la altura del sol sobre
el horizonte y la cantidad de partículas en la atmósfera también aumenta el flujo de
radiación difusa.
La radiación global (H) es toda la radiación que llega a la tierra la cual se mide sobre una
superficie horizontal que se encuentra expuesta a los rayos del sol. En otras palabras es el
flujo de energía por unidad de área y tiempo que se obtiene de sumar la radiación directa y
la radiación difusa. El porcentaje de aporte de cada componente a la radiación global varía dependiendo de la altura del sol, la transparencia de la atmósfera y la nubosidad.
( ) ddb HhsenIHHH +×=+= [2]
El conocimiento de la radiación es indispensable para realizar el diseño adecuado de las
diferentes partes del secador. Esta es la fuente que proporcionará la energía necesaria para
aumentar la temperatura del aire en el colector y la cámara de secado. (Ver Figura 6 y 7 Pág.
26-27).
18 Referencia Bibliográfi ca [8] Parte B. Radiación Difusa.
15
Para determinar los datos concretos de la radiación en la zona exacta del ensayo, se
utilizaron los siguientes instrumentos para realizar esta medición:
• Por medio de un radiómetro infrarrojo
• Por medio de fotorresistencias
Este proceso se realizó al mismo tiempo y en el mismo sitio, ya que se calibraron las
fotorresistencias tomando como patrón el radiómetro. Todo esto para poder llevar las
fotorresistencias a las zonas de ensayo y obtener valores confiables de la radiación en el
sitio exacto de estudio. No se utilizó el radiómetro directamente debido a su elevado costo y
las condiciones ambientales en las cuales trabajaría.
El radiómetro es un instrumento que se utiliza para medir la intensidad de energía térmica
radiante; se caracteriza por medir la radiación directa y difusa sobre una superficie
horizontal. Se obtiene a través de la diferencia de calentamiento de dos sectores uno
pintado de blanco y el otro de negro en un pequeño disco plano interno; esta diferencia
produce un cambio de voltaje mediante el efecto termoeléctrico generado por la diferencia de temperaturas que produce la absorción de la radiación solar incidente.
Figura 2. Radiómetro infrarrojo de Precisión. Tomada de http://www.ideam.gov.co/atlas/mclima.htm
Para la obtención de los datos de radiación se usó la siguiente ecuación:
16
G=Radiación en W/m2. V= Voltaje generado por el efecto termoeléctrico en el radiómetro según la intensidad de luz. C= Constante (8.67µV/W/m2)19;
Se realizaron pruebas con una lámpara infrarroja antes de efectuarlas con el Sol, para
conocer qué tan sensible era el instrumento a los cambios bruscos de radiación y tener
certeza de su correcto funcionamiento. Esto se realiza a sabiendas que la lámpara infrarroja
no es equivalente al sol como fuente de radiación.
Para la realización de estas pruebas se montaron las fotorresistencias en un protoboard justo
al lado del radiómetro, para obtener una relación entre el cambio de voltaje en el radiómetro y la variación de la resistencia para las fotorresistencias y después comparar la relación
entre irradiación y resistencia de cada una de las fotorresistencias respectivamente.
Se calculó la radiación por medio de la ecuación [3] y se obtuvo una relación del valor de
la resistencia eléctrica en función de la irradiación. La calibración final de las
fotorresistencias se realizó en un experimento en exteriores con la radiación solar de
Bogotá. A continuación encontramos las gráficas de irradiación y resistencia para cada una de las fotorresistencias.
Gráfica 1. Curva y correlación de resistencia eléctrica en función de Irradiación para
la fotorresistencia 1. Radiación solar real. 19 Datos proporcionados por el fab ricant e en el manual del instrumento.
Fotorresistencia 1 y = -18,739Ln(x) + 147,65R2 = 0,9555
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200
Irradiacion G (W/m^2)
Resi
sten
cia
(Ohm
nios
)
17
Gráfica 2. Curva y correlación de resistencia eléctrica en función de Irradiación para
la fotorresistencia 2. Radiación solar real. Observamos su comportamiento no lineal en la cual para intervalos pequeños de irradiación
(menores a 300) la variación de la resistencia es muy grande en intervalos pequeños
mientras para valores mayores a 300 esta variación de los valores de la resistencia no tiene
mucha diferencia y llega a puntos donde la pendiente de la curva es muy pequeña. Si el
valor del voltaje fuera constante con la radiación, la fotorresistencia no sería la adecuada
para medir en estos intervalos.
Gráfica 3. Comparación entre la fotorresistencia 1 y la fotorresistencia 2.
Por otro lado observamos la diferencia entre una fotorresistencia y la otra que deberían ser
iguales puesto que fueron tomadas del mismo lote, el mismo tamaño, mismo fabricante e
iguales condiciones de trabajo. Esto sucede debido a que la variación de la respuesta de la
Fotorresistencia 2 y = -24,49Ln(x) + 189,15R2 = 0,9495
0
20
40
60
80
100
120
0 200 400 600 800 1000 1200
Irradiacion G (W/m^2)
Res
iste
ncia
(Ohm
nios
)
Resistencia Vs Irradiacion
020
40
60
80
100
120
0 200 400 600 800 1000 1200
Irradiacion G (W/m^2)
Resi
sten
cia
(Ohm
nios
)
Resistencia 1Resistencia 2
18
resistencia es particular para cada una de ellas y es necesario usar la calibración de cada una
de estas de forma independiente.
Se tomaron datos de voltaje según la variación de intensidad solar que incidía sobre las
fotorresistencias en la zona donde se desarrolló el secador (Neiva, Huila). Caracterización
de la zona de estudio ver Tabla 1. Pág. 39.
Se obtuvieron las siguientes gráficas de irradiación en la zona de estudio:
Gráfica 4. Gráfica de irradiación fotorresistencia 1 en la zona de estudio.
Gráfica 5. Gráfica de irradiación fotorresistencia 2 en la zona de estudio.
19
Los datos ilustrados en la Gráfica 4 y 5 se registraron simultáneamente el día 12/11/2006
con una frecuencia de 1 dato por minuto. Hora de inicio 7:42 am, Hora de terminación 3:34
pm.
Encontramos un valor de irradiación solar máximo cercano a los 2500 kW/m2, las dos
gráficas son bastante similares, la diferencia no es muy marcada entre los valores y su
forma es muy parecida, pero esto no evade que estos son valores totalmente erróneos
puesto que el valor máximo de la potencia de radiación en la tierra es de 1.4 kW. /m2, es por esto que nos remitimos al atlas de IDEAM y encontramos que para Neiva el promedio
multianual de radiación solar global diaria está entre 4.5 – 5 kW.*h/m2.20 Si dividimos este
valor por las 12 horas del día obtenemos una potencia de irradiación del orden de 0.41
kW/m2 que son valores más razonables, de aquí en adelante utilizaremos estos datos con
todo lo referente a radiación. Esto ocurrió debido a que no se tenía mucha información
acerca de las fotorresistencias, pues no se sabía el rango de funcionamiento, qué rangos de
intensidad de luz era capaz de manejar, hasta qué punto era confiable, cómo era su comportamiento a temperaturas cercanas a los 50º C, cómo se comportaba el filamento,
etc. Además lo mencionamos anteriormente a valores grandes de irradiación la resistencia
tiene una respuesta con menos sensibilidad como vemos en las Gráficas 1 y 2. Neiva, al ser una ciudad de temperaturas altas, maneja irradiaciones grandes. Algunas causas de esta
diferencia pueden ser: 1) las fotorresistencias no se calibraron adecuadamente,
especialmente en la relación con la variación de su respuesta a la temperatura ambiente. 2)
el rango de calibración no incluyo la región de altos valores de irradiación. 3) es posible que en el sitio de medición en Neiva se haya presentado un valor superior de irradiación
asociado a la ref lexión de la radicación por las superficies de las edificaciones cercanas.
El secado del café con aire caliente se produce porque existe una diferencia de
concentración de contenido de humedad entre el grano y el aire de secado. Este potencial de
secado es más grande entre más caliente esté el aire porque su humedad relativa disminuye
a medida que aumenta la temperatura. Por lo tanto, una mayor temperatura del aire de secado implica una velocidad de secado mayor y menor tiempo de secado para el producto.
20 Referencia Bibliográfi ca [9] Numeral 2.4 Mapa 8 Radiación
20
Según datos tomados del atlas del IDEAM21 la temperatura promedio anual en el área de estudio (Neiva, Huila) es de clima cálido mayor a 27.6º C.
4.1.2 Velocidad del Viento
El viento es el movimiento natural del aire, es el flujo de aire que se desplaza casi
horizontal.
La velocidad del viento es una cantidad vectorial que se caracteriza por la dirección
(orientación del vector) y la velocidad a la que se mueve (magnitud del vector).
• La velocidad del viento determina el desplazamiento del aire en un tiempo
determinado que se expresa en m/s, es la distancia recorrida por una partícula de viento en una unidad de tiempo.
• La dirección determina la orientación del vector de la velocidad del viento en la
horizontal expresado en grados.
El movimiento del aire cerca de la superficie de la tierra se ve afectada por el rozamiento, la
convección térmica en el momento en que la superficie se encuentra más caliente que el
aire. En las capas altas el flujo es laminar y suave pero a medida que se acerca a la
superficie se convierte en un f lujo turbulento que aumenta dependiendo de la posición
geográfica de la zona y de la velocidad. El viento es muy variable en el tiempo tanto en
dirección como en velocidad, debido a esto se puede reducir a un flujo principal para el
cual se asume un valor promedio de velocidad y dirección anual que para Neiva según el
atlas del IDEAM está entre 2 y 3 sm 22 dirección S.E..
4.1.3 Humedad
La humedad se define como la cantidad de agua en forma de vapor que se encuentra en un
volumen dado de aire. El agua está mezclada con el aire de forma homogénea en fase
21 Referencia Bibliográfi ca [9] Numeral 2.2 Mapa 2 Temperatura media. 22 Referencia Bibliográfi ca [9] Numeral 2.5 Mapa 9. Velocidad Media.
21
gaseosa. La mayor parte de humedad de la tierra se encuentra en la troposfera (abajo de los
2000 metros) proveniente principalmente de la evaporación de los ríos y mares. El aire
tiene una capacidad limitada de absorción; cuando llega a este nivel se conoce como aire
saturado, por debajo de este punto el aire húmedo no se distingue a simple vista del aire
seco, este es transparente e incoloro; sobre este límite la cantidad de agua en exceso se
precipita, ya sea en forma de neblina o bien como pequeñas gotas de lluvia.
La humedad relativa (HR) se define como la razón de la fracción molar del vapor de agua en la mezcla (aire seco + vapor de agua) a la fracción molar del vapor en una mezcla
saturada a la misma temperatura y presión total. Como el vapor de agua puede considerarse
como un gas ideal, la humedad relativa puede expresarse como la razón de las presiones
parciales correspondientes. Este valor de HR depende mucho de la temperatura del lugar, la
hora y la vegetación del lugar, y cambia considerablemente en el transcurso del día.
El producto a secar tiene una cantidad de agua inicial que según la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia y principalmente Cenicafé dan a conocer: el café pergamino
húmedo recién lavado tiene un contenido de humedad de 52-54%.
Cuando el aire caliente pasa a través de una superficie húmeda, este se enfría debido a una pérdida de energía, la cual ayuda a evaporar el agua que se encuentra en la superficie; al
momento del aire absorber el vapor de agua va a aumentar de manera absoluta su humedad.
El método para hallar la humedad del café durante el secado se basa en la relación existente entre el peso del café pergamino lavado y escurrido y el café pergamino seco. Se parte de la
humedad inicial que se ha medido en Cenicafé asumiéndola constante de 53,3% en
promedio hasta un valor final del 11% el cual se considera adecuado tener un producto de buena calidad. Para medir el porcentaje final de humedad en el café, este es pesado
constantemente hasta que se llega a la humedad necesaria. Por ejemplo, en una muestra de
café de 100gr, 53.3gr son humedad y 46.7gr sólido. Si se requiere una humedad final del
11% de humedad, el proceso debe terminarse cuando el peso total de la muestra llegue a
52.56 gr.
22
4.2 Secadores Solares
Los secadores solares se caracterizan por utilizar el Sol como fuente de energía que se
convierte en calor para remover la humedad de un producto. Un secador solar puede ser de
tres tipos: directo, indirecto o mixto. Esto depende de varios factores: básicamente el
producto a secar, si este admite o no la radiación directa ya que hay productos que pierden calidad cuando son secados de esta forma, la cantidad de producto a secar y el lugar donde
se realizará el secado.
La diferencia entre estos tipos de secadores solares se basa principalmente en la cámara de
secado. Si esta permite el paso de la radiación solar el secador es directo, si no lo permite es
indirecto y si cuenta con un colector independiente de radiación y además la cámara permite el paso de la radiación es un secador mixto; los hay de convección natural cuando
el aire se mueve por flotación y por diferencia de densidades originada por el
calentamiento, entre el aire dentro de la cámara y fuera de ella. La diferencia de densidades
genera una fuerza de flotación por el principio de Arquímedes. Todo esto ocurre a presión aproximadamente constante; también existen de convección forzada donde por medio de un
ventilador se hace circular el aire dentro de la cámara.
grgrgrm
mmmgrgrm
mmgrgrgrm
mmmgrm
grm
final
solinicialOfinalHfinal
OfinalH
OinicialHOfinalH
solinicial
OinicialHinicialsolinicial
OinicialH
inicial
56.527.4686.5
86.53.5311.011.0
7.463.53100
3.53100
2
2
22
2
2
=+=
+=
=×=
×=
=−=−=
=
=
23
4.2.1 Secador Solar Directo
Este tipo de secador se caracteriza por utilizar la cámara como colector, esta contiene el
producto y al mismo tiempo recibe la radiación solar porque la cámara es transparente. En los secadores solares directos la radiación solar la recibe y absorbe el producto lo que hace
más efectivo el aprovechamiento de la energía para producir la evaporación del agua en el
producto. Esto se produce puesto que la presión de vapor en la superficie del producto
aumenta debido al incremento generado por la transferencia de calor asociada a la radiación solar incidente. Así el gradiente de presiones de vapor entre el producto y el aire aumenta
acelerando el proceso del secado. Estos secadores trabajan en la mayoría de los casos con
convección natural.
Figura 3. Secador Solar Directo típico. Tomada de
http://sleekfreak.ath.cx:81/3wdev/VLIBRARY/NEW_ELSE/X5403S/X5403S0D.HTM
4.2.2 Secador Solar Indirecto
En este tipo de secador el colector y la cámara están separados. El aire es calentado en el
colector mientras que la radiación no incide sobre el producto a secar que se encuentra
dentro de la cámara de secado opaca. Es un secador convectivo convencional sobre el cual el Sol actúa como fuente de energía. Cabe anotar que en algunos casos se utilizan
ventiladores para realizar una convección forzada que acelera el proceso pero aumentando
los costos y el consumo de energías no renovables. Los secadores directos difieren de los indirectos en la transmisión de calor. El calor se transfiere al aire por conducción a través
de una superficie que adsorbe la irradiación solar, casi siempre metálica y de color negro.
Ya que la cámara no permite la entrada de la radiación solar, este dispositivo permite secar
24
productos que se puedan dañar o perder su calidad cuando son expuestos directamente al
Sol.
Figura 4. Secador Solar Indirecto típico. Tomada de
http://www.energiasrenovables.gov.ar/secador%20solar.html
4.2.3 Secador Solar Mixto.
El secador solar mixto se caracteriza principalmente por ser de flujo libre (convección
natural).En este tipo de secador la energía requerida para el secado es suministrada por el
Sol, particularmente por efectos de la radiación solar absorbida tanto por el colector como
por el producto a secar. Su denominación de mixto se da debido a que está conformado por
un secador solar directo e indirecto. Es un secador solar directo debido a que ocurre una
transferencia de calor por radiación tanto en el colector como en la cámara debido a su
cubierta transparente e indirecto por su transferencia de calor convectiva desde la placa del
colector que calienta el aire que luego se dir ige a la cámara.
Es apropiado para el secado de productos que no pierden sus cualidades al estar expuestos
directamente a la radiación solar como el pescado, el café, el pimiento, tomate en rodajas y granos. Este secador está conformado por 3 partes principales: el colector, la cámara y la
chimenea.El aire está a diferentes temperaturas en distintas partes del equipo, ayudando a
promover la convección térmica del aire.
25
Es muy económico puesto que trabaja netamente con energía solar, su fabricación,
materiales y costos de mantenimiento son reducidos. El tener la cámara de secado separada
del colector facilita la manipulación del producto. Es un poco más grande que el secador
solar directo puesto que incluye adicionalmente el colector solar.
Figura 5. Secador Solar Mixto. Tomada de http://www.inta.gov.ar/info/intainfo/img/secador1.jpg
26
4.2.3.1 Colector.
Figura 6. Colector Solar.
El colector es el lugar donde la radiación calienta el aire: se aprovecha la radiación solar
para precalentar la placa colectora y esta transfiere el calor al aire que circula sobre la placa
por medio de convección. Luego se dirige hacia la cámara de secado donde se encuentra con el producto donde se verifica el proceso de secado.
El flujo de aire a través del colector depende de la temperatura que alcance el aire dentro de
él, de la diferencia de alturas entre la entrada y la salida del aire y de las pérdidas por
fricción y accesorios y de calor que se presenten en el secador.
El colector es una caja térmica en la cual el aire se calienta debido a la captación de
radiación solar que ocurre dentro de él. Está constituido por un marco en madera, una
superficie absorbente metálica que en este caso es una teja de zinc pintada de negro mate. Esta permite absorber la radiación solar directa e indirecta incidentes y una cubierta
transparente de plástico de invernadero que impide la salida de radiación infrarroja emitida
por la placa colectora.
Una superficie capaz de absorber el 100% de la radiación se llama “cuerpo negro”, y se
define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie. No se
conoce ningún objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a
absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. En teoría, un cuerpo negro
27
sería también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura una
potencia igual a la prevista por la ley de distribución de Planck.
4.2.3.2 Cámara de Secado.
Figura 7. Cámara de Secado y Chimenea.
La cámara de secado es el lugar donde el producto es deshidratado al paso del aire que
proviene del colector y de la radiación que incide directamente sobre él. Esta tiene la
misión de albergar el producto a secar y es el lugar donde se realiza la transferencia de
vapor de agua del producto al aire circulante dentro del equipo.
La cámara está constituida por un marco de madera cubierto totalmente con plástico para
invernadero Agroclear XF Antivectores Esp 6, (transparente, buena resistencia mecánica,
alta transmisión de luz difusa, utilizado en el cultivo de rosa roja. (Ver Anexo D). Esta
28
aprovecha el aire anteriormente precalentado proveniente del colector, el cual se encuentra
a una temperatura superior y una humedad relativa inferior a la ambiente. Al mismo
tiempo, la radiación cae directamente sobre la cámara, ya que está se encuentra cubierta por
plástico de invernadero transparente, el cual permite que pase la luz solar llegando
directamente al producto, almacenando una mayor cantidad de energía, aumentando la
temperatura y logrando una evaporación más rápida del agua contenida en el producto
dentro de la cámara.
4.2.3.3 Chimenea
La chimenea es la encargada de facilitar la convección natural del aire aumentando el f lujo
de aire que circula dentro del secador por medio de las diferencias de temperaturas del aire, la diferencia de alturas entre la entrada y la salida del aire y la presencia de la fuerza
gravitacional. A medida que aumenta la temperatura del aire disminuye su densidad
originando unas fuerzas de flotación que promueven el movimiento del aire dentro del
secador. La convección del aire a través del producto se realiza de la parte inicial del
colector a la parte final de la cámara, la cual es el producto de la diferencia de densidades
del aire frío que en este caso es el ambiente y el aire caliente que es el que se obtiene dentro
de la cámara. Su función principal es hacer que el aire pase a través del producto y retire agua debido al intercambio de energía y masa.
La chimenea al igual que la cámara y el colector están conformados por un marco de
madera recubierto con plástico de invernadero transparente. Tiene en su parte superior una malla que impide el ingreso de insectos al secador.
4.3 El Café
La especie Coffe Arabica L., la localización geográfica, el clima y los suelos de la zona
cafetera colombiana son factores que ayudan a que el café colombiano tenga la suavidad y
buena calidad que lo caracterizan. A esto se une el manejo técnico de los cultivos y la
forma como se realice el beneficio húmedo del grano, su secado y posterior
almacenamiento.
29
El café colombiano ha sido catalogado como uno de los mejores dentro de los cafés
arábicos y se destaca por su aroma intenso, acidez natural deseable, cuerpo y amargo
moderado.
Se pueden presentar veinticinco diferentes defectos en el café de los cuales el 80% ocurren
durante el proceso de pelado y secado23 (Beneficio) debido a que se ha realizado un proceso
inadecuado. Entre los defectos más usuales se encuentran el daño por broca, café
contaminado, fenol en el cual el café adquiere un aroma yodado, a medicina, y el fermento
o descomposición. La cosecha se puede deteriorar en pocas horas debido a un mal beneficio, generando defectos que se traducen en grandes pérdidas económicas.
El café después de ser recolectado, debe ser sometido a un proceso de beneficio en el cual
se transforma el café cereza (café recién recolectado) a café pergamino seco.
El beneficio es la primera parte del proceso en la cual se separan las partes del fruto: grano,
pulpa y mucílago, posteriormente se prosigue con el lavado y se finaliza con el secado del
grano, realizando estos procesos de la mejor manera para poder conservar y garantizar una muy buena calidad. El café, se puede comercializar en Colombia de dos formas: uno
llamado seco de agua, es el estado en el cual el café una vez ha sido lavado se deja escurrir
un poco el agua, se empaca y se vende, la persona que lo compra tiene que continuar con el proceso de secado. El otro estado es el café seco de trilla el cual ya está en la humedad
requerida (10-12%)24, su secado ha terminado, se encuentra listo para ser trillado
posteriormente tostado y molido. Si el café se vende en este último estado tiene una
rentabilidad mucho más alta 80-90% más que si se vendiera en la etapa anterior pero el tiempo de secado se extiende y las ganancias se demoran más. El café ya seco es adquirido
por la Federación Nacional de Cafeteros a través de las cooperativas de caficultores o por
exportadores privados. El sector cafetero representa porcentajes de producción significativos para el país. El año
2005 las exportaciones de café representaron cerca del 8% de las exportaciones totales del
país.
23 Referencia Bibliográfi ca [25] Pág. 2. 24 Referencia Bibliográfi ca [2]
30
El café genera 27 % del empleo agrícola, en otras palabras casi uno de cada tres empleos lo
genera el sector cafetero y proporciona cerca de un millón de empleos tanto directos como
indirectos. Existen aproximadamente 560.000 familias que viven exclusivamente del café y
cerca de dos millones de personas dependen de los ingresos que este genera. En Colombia
580 municipios cuentan con actividad cafetera.
4.3.1 Dispositivo para curvas de Secado
Se construyó un dispositivo de secado para poder realizar las curvas del secado del café. Estas curvas se realizan para determinar el tiempo requerido para que ocurra un descenso
esperado en el contenido de humedad y así estimar el consumo energético.
Para la realización de las curvas de secado y posterior caracterización del producto se utilizó un túnel de secado constituido por los siguientes elementos:
1. Secador Comercial de Pelo Marca Oster. Encargado de remover el agua del
producto a través del aire caliente que produce.
1.1 Temperatu ras:
1.1.1 Ambiente 19° C. 1.1.2 Tibio 36° C.
1.1.3 Caliente 57° C.
1.1.4 Muy caliente 71° C.
1.2 Velocidades:
1.2.1 1,6 m/s.
1.2.2 0,9 m/s.
31
Figura 8. Secador utilizado como generador del aire caliente.
2. Tubo de PVC de 4” de diámetro y 1,22 m de largo.
Figura 9. Dispositivo para curvas de secado.
32
3. Porta muestra. Encargada de soportar la muestra.
Está conformada por las siguientes partes:
• Unión de PVC de 4”.
• M alla metálica de 3mm x 3mm.
• Barra de aluminio de 5mm x 5mm x 80mm.
• Base aluminio de 50mm x 50mm x 3mm.
Figura 10. Porta muestras y unión de PVC
33
Figura 11. Porta muestras fabricado en aluminio y pegado con adhesivo epóxico.
4. Rectificador de Flujo de Aire: Utilizado para atenuar la intensidad de la
turbulencia y los grandes vértices que puedan estar presentes. Fabricado en
pitillos plásticos pegados con silicona.
Figura 12. Rectificador de Flujo.
34
5. Mariposa reguladora: Regula el caudal de aire que sale del dispositivo mientras
se seca el producto. Fabricado con lámina de aluminio y remaches.
Figura 13. Montaje total. Mariposa reguladora de flujo.
6. Balanza: Utilizada para pesar constantemente la muestra y saber en qué
momento se llegaba a la humedad requerida.
Figura 24. Balanza Acculab. Tomada de
http://mecanica.uniandes.edu.co/manager.php?id=657& accion=1& parent_id=655
35
7. Soporte: Se observa el dispositivo ensamblado y listo para realizar el secado.
Podemos observar las partes mencionadas. ( Ver Figuras 8, 9, 10, 11, 12, 13).
Figura 15. Montaje Total.
Sobre la balanza se ubica el porta muestra. A medida que el producto se seca la balanza
reporta la disminución de peso de la muestra.
8. Muestra a secar. 100 gramos de café.
Figura 16. Muestra de café para ser secado dentro del porta muestra.
36
9. Cronometro.
Figura 17. Cronometro. Tomada de http://www.oliviero.it/img/articoli/6/8/4686/hs_3v_8b_casio_thumb.gif El funcionamiento de este dispositivo de secado se resume básicamente en poner una
muestra de un peso determinado (100 gr.), se prende el secador y cada 5 minutos se
registraba el peso al que se encuentra la muestra y la humedad relativa a la que se estaba
realizando el secado.
Esta diferencia en el peso es el peso del agua evaporada que pierde la muestra. Se dejó la
muestra dentro del túnel de secado hasta que el peso se estabilizara debido a que esta llega
a un punto en que la energía del aire no es suficiente para evaporar más agua del producto.
En este dispositivo se pusieron muestras de 100 gr. de café las cuales fueron secadas hasta
que el peso se mantuviera constante en un periodo de tiempo extenso, por ejemplo después
de 30 minutos que no se registrara cambio en el peso de la muestra. Es así como se
obtuvieron las curvas de secado que se muestran a continuación.
4.3.2 Curvas de Secado.
Las curvas de secado se realizan para determinar el tiempo requerido para que un producto
experimente una disminución esperada en su contenido de humedad. Se quiso predecir el
comportamiento del café al momento del secado. El proceso del secado en cualquier producto se caracteriza por las diferentes velocidades
del secado. A medida que avanza el tiempo se puede observar cómo el secado se hace más
37
lento. Estas curvas varían dependiendo del producto, la velocidad, la temperatura y la
humedad relativa del aire, la dirección del flujo y el espesor de la capa que se desea secar.
Durante el secado, el producto perderá agua hasta un grado tal que se establece un
equilibrio de la fase líquida del agua en el producto con la fase gaseosa en el aire de secado,
por lo tanto, para cada valor de humedad relativa se va a tener un contenido de agua del
producto que corresponde al equilibrio.
Al realizar estas curvas se tiene una transferencia de agua del interior del material a su superficie; a esto se sigue la remoción del agua de la superficie del producto.
Se quiere hallar la relación que existe entre el peso del café pergamino lavado y escurrido y
el café pergamino seco. Para las curvas de secado se sabe que la humedad inicial en base
seca del café medido en Cenicafé es de 53.3% promedio y debe terminar el café pergamino
seco en 11 %. Por esto que se empieza con 100 gr. y se termina cuando llegue a los 57.7 gr.
aproximadamente.
En la Gráfica 6 se muestran las curvas obtenidas a las diferentes temperaturas y velocidades del aire:
Gráfica 6. Curvas de Secado para diferentes temperaturas.
Curvas de Secado
45
55
65
75
85
95
105
0 50 100 150 200
Tiempo (min)
Peso
(gr) Caliente(57°C)
Tibio(36°C)Ambiente(19°C)Muy Caliente(70°C)
38
Se observa el comportamiento del café durante el proceso de secado. Dependiendo de la
temperatura del aire la pendiente de la curva cambia, a mayor temperatura de secado la
pendiente es más pronunciada y el tiempo de secado es menor; en otras palabras a mayor
temperatura del aire mayor humedad se retira, se necesita menor tiempo para llegar al
equilibrio y el café termina con una cantidad de humedad menor.
Gráfica 7. Velocidad de Secado para diferentes Temperaturas.
La Gráfica 7 nos muestra la velocidad a la que se realiza el secado; esto se obtiene de la
determinación puntual de las pendientes de la gráfica 6. Se observa como a mayor
temperatura la velocidad de secado es más grande y cómo esta va decreciendo a medida
que transcurre el tiempo hasta que llega casi a cero, el punto donde encuentra el equilibrio,
este equilibrio se da cuando no tiene agua libre y el agua que tiene está ligada al producto, es muy difícil retirarla y mientras que el aire de secado tenga una humedad fija, el
contenido de humedad del grano no variará más allá del valor de equilibrio por más tiempo
que se exponga el producto al aire.
Velocidad del Secado
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 6 18 30 42 54 66 78 90 102
114 126 138
150 162
Tiempo (min.)
∂pes
o/∂t
(gr.
/min
.)
Tamb (19º C)
Ttibio (36º C)
Tcaliente (57º C)
Tmuy caliente(70º C)
39
Gráfica 8. Influencia del peso en la velocidad de secado.
En la Gráfica 8 Observamos la influencia que tiene el peso en la velocidad de secado; las abscisas de la gráfica están invertidas (disminuyen hacia la derecha para mejor
visualización del efecto) ya que la muestra empieza con 100 gr. de café y va disminuyendo
con el tiempo. A medida que disminuye el peso la velocidad de secado también decrece;
esto se debe básicamente a que durante el secado el producto pierde agua que se encuentra
libre pero a medida que se evapora esta cantidad libre se reduce hasta que el proceso llega a
su equilibrio.
Si en la Gráfica 6 analizamos la pendiente de la temperatura muy caliente (70ºC). Podemos
observar que se encuentran varios periodos de secado; el primer periodo se encuentra una
velocidad constante hasta que el agua libre que se encuentra dentro del producto es
removida (pendiente bastante pronunciada 15 – 20 min). Después disminuye la velocidad
debido a que se elimina el agua que está ligada al producto (Pendientes disminuyen
lentamente 20 – 75 min). Finalmente el producto empieza a quemarse. (Pendiente tiende a
cero 75 – 200 min). Mientras más bajo sea el contenido de humedad en el producto más
energía se necesita para evaporar el agua.
Peso Vs Velocidad de Secado
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
405060708090100110
Peso (gr)
∂pes
o/∂t
(gr./
min
.)
Tamb (19º C)T tibio (36º C)Tcaliente (57º C)Tmuy caliente (70°)
40
5 Diseño del Secador
5.1 Condiciones de Diseño
Para la etapa de diseño es necesario tener en cuenta algunas variables, una de estas son las
condiciones ambientales de la zona de estudio, que se muestran a continuación tabla 1.
Tabla 2. Condiciones Ambientales para el sitio del ensayo. Referencia Bibliográfica [9] Parte 2, tablas 1, 2,
4, 5, 6, 7, 8, 10, 11.
Para un adecuado secado del café es recomendable no dejar pasar por alto ciertas
condiciones y/o recomendaciones que la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia y
Cenicafé utilizan y promueven entre los caficultores. Esto basado en experiencias y
estudios que se han realizado para obtener un café de buena calidad, intentando reducir al
máximo las pérdidas de dinero por concepto de un secado inadecuado.
Algunas de estas condiciones y/o recomendaciones se enuncian a continuación:
• Con cualquier método de secado se debe revolver el café frecuentemente, para
lograr un secado uniforme, 4 veces al día es un número razonable.
• La temperatura máxima de secado no debe sobrepasar los 50° C25. Si la temperatura
es más mayor, el café se seca demasiado rápido ocasionando que la parte externa
del grano empieza a tostarse mientras el interior todavía se encuentra húmedo. Esto
25 Referencia Bibliográfi ca [1],[2],[3 ] y [6]
41
provoca que el café pierda cualidades (aroma y sabor principalmente). Esta
condición aplica para cualquier tipo de secador.
• Secar la cosecha de café en la finca y tratar de comercializar la menor cantidad de
café húmedo posible. Con esto se reducen costos y se garantiza la calidad del grano.
• El café pergamino húmedo o después de lavado tiene un contenido aproximado de
humedad entre el 52 – 54 % 26.
• El contenido final de humedad debe estar entre 10 – 12 % para disminuir la
presencia de hongos u otros microorganismos y obtener un producto de alta calidad.
• En un secador parabólico convencional (Ver Anexo A.) el tiempo de secado puede
variar entre 5 a 20 días dependiendo de las condiciones ambientales de la zona en la que se realice.
• No es recomendable secar capas de café mayores a 3 cm. de espesor27.
• El secador solar mixto debe ser orientado en la dirección cardenal norte-sur para aprovechar la mayor radiación solar posible. El largo en dirección norte-sur y el
ancho en el sentido de la salida del sol. Esto debido a que los rayos solares inciden
sobre la tierra a diferentes ángulos de inclinación las cuales varían tanto por la época del año como por la ubicación del sitio donde se quiera secar.
Por otra parte y según bibliografías estudiadas,
• el colector debe tener una inclinación igual a la latitud del lugar, para que la
incidencia de la radiación sea perpendicular al colector. En este caso se inclinó 3º. La cámara se inclinó 27° para poder así recibir de manera perpendicular los rayos
solares cuando el sol estuviera en su máxima altura.
• El café no debe estar sobre el piso al momento del secado, esto lo deja expuesto a varias fuentes de contaminación como lo son animales, hojas, polvo, etc.
26 Referencia bibliográfica [1],[2],[3] y [6] 27 Referencia Bibliográfi ca [19]
42
5.2 Diseño Colector.
Antes de empezar el diseño del colector se estudiaron las condiciones ambientales y los
factores que influyen en este diseño como son: principalmente la radiación y la velocidad
del viento en la zona donde se realizara la prueba.
Se conocen algunas constantes a priori a la realización del diseño: Ver Tabla 2
Constantes de Diseño Cp del aire (kJ/kg.) 1,007 Radiación ( kWh./m2 día) 4,5 Viscosidad dinámica del aire (Pa*s) 1,80E-05 T ambiente ºC (To) 27,6 Vel del Viento (c) m/s. 2,2 Densidad del Aire en sitio de Prueba ( kg./m3 ) 1,1619
Tabla 2. Constantes utilizadas en la etapa de diseño en Neiva las condiciones son 27,6 ªC y 1010,2 hPa.
Para empezar se asume una superficie del colector, de esta depende la temperatura a la cual
llega el sistema y la capacidad de secado que tiene el colector. Esta área se reemplaza en las
siguientes ecuaciones y se itera.
AcolectorVelairemasicocaudal aire ×⋅×= ρ_ [3]
AcolectorVelaireovolumetriccaudal ×=_ [4]
AcolectoreficienciaRadiacionutilPotencia ××=_ [5]
Utilizando [3] y [5] obtenemos la energía útil
masicocaudalutilPotenciautilEnergia _/__ = [6]
Y se prosigue encontrando el cambio de temperatura entre la entrada y la salida del
colector:
aireCol Cp
utilEnergiaT _=∆ [7]
TfinalCol = To + ∆T [8]
43
Al finalizar este proceso, se tiene la temperatura de salida del colector para las dimensiones
que se asumieron. Sabiendo esta temperatura se comienza a iterar con el área del colector
para poder tener una temperatura que se encuentre dentro del límite recomendado
anteriormente (Tsecado <= 50 º C).
Figura 18. Colector Solar terminado forrado en plástico de invernadero.
Variables de Diseño Caudal Volumétrico colector (m3/seg.) 0,212 Caudal Másico colector (Kg. /seg.) 0,247 Potencia Útil Colector( W/m2 ) 2845,8 Energía Útil Captada Colector (kJ/Kg.) 11,53 ∆T Colector (ºC) 11,45 T salida colector (ºC) 39,05
Tabla 3. Variables obtenidas del diseño del colector.
La velocidad del aire dentro del colector se asumió 0.1 m/s, ya que “para tener una tasa de
secado razonable, la experiencia indica velocidades de aire mínimas del orden de 0,1m/s, y
no mayores a 0,4 m/s en secadores de convección natural28”. Se decidió por el mínimo
valor que sin importar las condiciones ambientales se pueda garantizar esta velocidad.
28 Referencia Bibliográfi ca [19] Página 8-3.
44
Figura 19. Colector Solar terminado.
Estas son las dimensiones definitivas del colector después de realizado todo el proceso de iteración.
Dimensiones del Colector Largo (m) 1,2 Ancho (m) 0,85 Alto (m) 0,25 Área ( m2 ) 1,02
Tabla 4. Dimensiones definitivas del colector después de la etapa de diseño.
5.3 Diseño Cámara.
Al igual que en el diseño del colector en el de la cámara es muy importante conocer las
condiciones ambientales. La cámara es forrada en plástico de invernadero transparente y por consiguiente deja pasar la luz solar (una variable importante a la hora de diseñar).
Se asume un área inicial de captación que estará expuesta a los rayos solares. Con esto se
define que tanto café se puede secar, ya que se conoce el espesor de la capa de café
recomendado por Cenicafé y la Federación Nacional de Cafeteros para un adecuado secado
con cualquier método, máximo 3cm. Se escoge el espesor de 3 cm para poder secar la
mayor cantidad de café posible sin salirse de los parámetros recomendados. Después del
área de captación (0.85m x 0.8m = 0,68m2) se halla el volumen que se puede secar. 332 0408.0_20204.003.068.0:sec mbandejasmmmEspesorAcaptacionadoV =×=×=×
45
Se encuentra el cambio de temperatura dentro de la cámara por medio de las siguientes
ecuaciones:
AcámaraVelairemasicocaudal aire ×⋅×= ρ_ [9]
AcámaraVelaireovolumetriccaudal ×=_ [10]
Sabiendo esto se halla
AcámaraeficienciaRadiacionutilPotencia ××=_ [11]
Con [9] y [11] hallados anteriormente se tiene:
masicocaudalutilPotenciautilEnergia _/__ = [12]
Y finalmente el cambio de temperatura:
aireCám Cp
utilEnergiaT _=∆ [13]
Tfina lCam a = Tfina lCol + ∆T [14]
Variables de Diseño Vel viento (m/seg.) 1 Caudal Volumétrico Cámara (m3/seg.) 0,102 Caudal Másico Cámara (Kg. /seg.) 0,118463 n Cámara 0,254 Potencia Útil Cámara( W/m2) 1165,86 Energía Útil Captada Cámara (kJ/Kg.) 9,84 ∆T Cámara (ºC ) 9,77 Salida cámara (ºC ) 48,82 Área de la cámara (m2) 0,68
Tabla 5. Variables derivadas del diseño de la cámara.
Para obtener la temperatura final de salida del secador es necesario sumar las temperaturas
de salida tanto del colector como de la cámara. La temperatura de salida del colector es la
temperatura de entrada de la cámara. Según los parámetros de diseño la temperatura de secado no puede sobrepasar los 50° C. Se procede a iterar con las áreas asumidas
anteriormente (área del colector y el área de captación de la cámara) con la precaución de
no sobrepasar este límite.
46
Figura 20. Secador diseñado completamente terminado.
Figura 23. Placa metálica del colector solar.
Después de realizado el proceso de iteración estas son las dimensiones definitivas para la cámara de secado.
Dimensiones de la Cámara Largo (m) 0,8 Ancho (m) 0,85 Alto (m) 1,2 Área (m2) 0,68
Tabla 6. Dimensiones definitivas de la cámara después de la etapa de diseño.
47
5.4 Diseño Chimenea.
Para el diseño de la chimenea se conoce la temperatura ambiente y temperatura de salida de
la cámara. Con estas temperaturas se obtienen las dos densidades respectivamente. Se
hallan los diámetros hidráulicos del colector, la cámara y la chimenea. Como en el diseño
de la cámara ya se conoce el ancho de la chimenea. Se utiliza esta misma medida para que
no se presente una pérdida más por cambio de sección entre la cámara y la chimenea. Se
desconoce la altura de la chimenea que para esta etapa de diseño será nuestra variable a encontrar.
Estos diámetros hidráulicos se hallan por medio de:
( )ABABDH
224
×××= [15]
Diámetro Hidráulico del Colector (m) 0,386 Diámetro Hidráulico de la Cámara (m) 0,824 Diámetro Hidráulico Chimenea (m) 0,995
Tabla 7. Diámetros Hidráulicos
Se halla el número de Reynolds para cada uno de los componentes del secador (Colector,
Cámara, Chimenea), esto para conocer si el flujo es laminar o turbulento:
µρ /Re cDHynolds aire ××= [16]
Reynolds para Colector 24929,04 Reynolds para Cámara 5318,20 Reynolds Chimenea 6420,75
Tabla 8. Número de Reynolds.
Para conocer el coeficiente de pérdidas por fricción se reemplazó el número de R eynolds de
cada una de las partes del secador en la siguiente ecuación y se obtuvieron los respectivos
valores para colector, cámara y chimenea.
25.0Re316.0
ynoldsco = [17]
48
Es importante mencionar que esta ecuación se utiliza para conocer el coef iciente de
perdidas por fricción para ductos rectangulares en casos donde el numero de Reynolds se
encuentra entre 2000 y 100000.
Co Colector a la entrada 0,85 Co en ducto 0,06 Co entrada Cámara 0,50 Co para 2 bandejas 12,40 Co para la Cámara 0,037 Co Chimenea 0,027
Tabla 9. Coeficient es de Perdidas por fri cción.
Se conoce la velocidad del viento p romedio en Neiva (Huila), ésta se asume como la
velocidad inicial a la entrada del colector 0.1m/s (Ver Pag.43) y por continuidad se hallan
las velocidades en todas las partes del secador:
222111 AVAV ××=×× ρρ [18]
En este caso como no se tiene área fueron reemplazados por los diámetros al cuadrado, que
son una cantidad p roporcional a las áreas de flujo.
Se hace un balance de energías en el cual se tiene energía cinética menos energía potencial
más las pérdidas totales:
PzgPV
zgPV
∆+++=++ 2122
222
111
211
22ρ
ρρ
ρ [19]
Las perdidas tanto en las paredes como en los cambios de sección y el paso por mallas
fueron obtenidas del manual de la A SHRAE.29
Perdidas de Carga (Pa) 0,494 Perdidas por roce 0,375 Perdidas en la Cámara 0,287 Perdidas singular a través de bandejas 0,069 Perdidas por roce en la Cámara 0,071 Perdidas entrada a la chimenea 0,016 Suma de Perdidas 1,758
Tabla 10. Perdidas a través de todo el secador.
29 Referencia Bibliográfi ca [16]
49
Se itera sabiendo la d iferencia de p resión con las dos densidades (entrada y salida) se
iguala, se realiza el balance de energías y se despeja la altura.
Densidad del aire 50°C 1,078 Densidad del aire 37°C 1,120 Entrada a la chimenea 0,016 Fuerza motriz por metro 0,816 Vel aire en la chimenea 0,412 Perdida de chimenea 0,091 Perdida por metro de Chimenea 0,091 Longitud de la chimenea 1,133 Tabla 11. Valores utilizados para determinar la longitud de la chimenea.
En este p roceso no se puede apartar un diseño del otro, es decir, el diseño del colector
influye sobre el de la cámara e igual el de la cámara sobre el de la chimenea y viceversa ya
que dependiendo de la temperatura final de la cámara hay que defin ir la altura de chimenea
y el área del colector.
Con esto se realiza una sola iteración que relaciona todo lo anterior, con el f in de no
sobrepasar la condición que dice que el café no se debe secar a más de 50 º C.
A continuación se muestra el diagrama de flujo donde se muestran los pasos del diseño
tanto del colector como de la cámara de secado.
50
Figura 22. Diagrama de flujo de los pasos de diseño.
51
Cámara y chimenea:
Figura 23. Secador Diseñado en Solid Edge
Figura 24. Cámara y chimenea terminadas.
52
5.5 Accesorios
5.5.1. Bandejas de Secado
Conformadas por un marco de madera y malla plástica, son las encargadas de soportar el
producto dentro de la cámara durante el proceso de secado.
Figura 25. Bandejas de Secado.
5.5.2 Puerta
Realizada con plástico para cubierta de invernadero y velcro para poder introducir y retirar las bandejas de secado dentro de la cámara.
Figura 26. Puerta del secador.
53
5.6 Materiales.
• Perfil de madera de 0.03x0.03x3m (10 unidades).
• Perfil de madera de 0.005x0.005x3m (3 unidades).
• Plástico para cubierta de invernadero marca Agrolene. Es polietileno de baja
densidad con aditivos estabilizantes y pigmento amarillo. (10 metro).
Sus principales características son 30:
Buenas propiedades de resistencia a la tensión.
Excelente propiedades de resistencia a l rasgado.
Bloqueo medio de radiación u ltravioleta U.V (200-380 nm.).
Porcentaje de transmisión de luz visible de 84% ± 2.
• Tornillos golosos para madera 1 ½”, 3 ½” (24 unidades, 12 Unidades
respectivamente).
• Puntillas 1 ½” (1 Libra).
• Arandelas de ½” (36 Unidades).
• ½ litro de Bóxer Industrial.
• Empaques de ½” (36 Unidades).
• ½ Teja de Zinc.
• Malla plástica (1m x 1m) de 4x4mm dimensión del mallado.
• Velcro (0.04m. ancho x 2m largo).
• ¼ Pintura negra mate.
5.7 Construcción del Secador.
En la construcción del secador, lo p rimero que se realiza es cortar los perfiles de madera a
las medidas requeridas tanto para el colector, la cámara y la chimenea. La teja de zinc se
pinta de negro mate y se coloca al Sol para que se seque, se prosigue a construir los marcos.
30 Características brindadas por el fabricante.
54
Los perfiles son cortados como se muestra:
Figura 27. Forma de unión entre perfiles de madera.
Estos perfiles son unidos por medio de tornillos golosos para madera de 1 ½” y reforzados
con puntillas de la misma dimensión.
Figura 28. Marco del Colector.
55
Figura 29. Marco de la cámara.
Se cortan las patas tanto del colector como de la cámara y se pegan al marco por medio de
tornillos golosos de 3 ½”, estas con el fin de hacer más dif ícil que entren insectos al secador
y que el operario del mismo no tenga que agacharse para poder manipular las muestras.
Terminados los marcos se p rosigue a pegar el p lástico de invernadero, este se adhiere al
marco con bóxer industrial y se refuerza con tornillos golosos, arandelas y empaques los
cuales no permiten que el p lástico se despegue y /o se rasque fácilmente.
Se construyen las bandejas con el mismo sistema con que se unieron los perfiles anteriores
y se p rosigue a pegar la malla plástica la cual tiene la resistencia necesar ia para soportar el
peso del café y no permitir que el grano pase y se caiga de las bandejas. Se pega un p lástico
entre las dos bandejas para forzar el aire a que pase por el p roducto a secar.
Se retira un rectángulo de p lástico de la parte trasera de la cámara creando un agujero que
se utiliza como puerta; se corta un pedazo nuevo del mismo tamaño al cual se le adhiere
velcro macho en el borde y se pega velcro hembra en el borde del agujero. Con este tipo de
puerta se espera obtener un buen sellado y reducir al máximo las pérdidas de calor dentro
del sistema. Ver Figura 26.
56
6. Puesta a punto.
6.1 Instrumentación.
Las variab les que se midieron en el secador son las siguientes:
• Irradiación por medio de la fotorresistencia.
• Velocidad del Viento por medio de un anemómetro.
• Temperatura por medio de sistema de adqu isición de datos (Hobos).
• Humedad Relativa por medio de sistema de adquisición de datos (Hobos).
• Rata de Evaporación por medio de puntas y bandejas.
6.1.1 Fotorresistencia.
Se quiere tener un valor cercano al de la radiación en la zona, debido al elevado costo del
radiómetro se op tó por utilizar fotorresistencia para poder hallar este valor. Se tomaron
datos de las fotorresistencias junto con el radiómetro para ver el comportamiento de estas y
comparar con los datos obtenidos por el radiómetro para saber qué tan confiables son los
datos que arrojan.
Figura 30. Montaje fotorresistencias. Figura 31. Fotorresistencia. Tomada de
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:LDR.jpg
Para las mediciones se realiza un divisor de voltaje donde la fuente es provista por una
tarjeta de adquisición y una resistencia de 1KΩ, dependiendo de la cantidad de luz que
57
incidía sobre la fotorresistencia su valor cambia p roduciendo un cambio de voltaje que es
registrado por la tarjeta de adquisición de datos.
6.1.2 Anemómetro.
Por medio del anemómetro se toman medidas de la velocidad del viento el día 15/12/2006
en la zona de estudio (Neiva, Huila), para así tener una referencia de esta variable en un d ía
cualquiera, el anemómetro se ubicó a la entrada del co lector, se obtuvo un valor bastante
variable pero con un p romedio aritmético cercano a 1. (Ver Gráfica 9). Estos valores
Gráfica 9. Velocidad del viento en Neiva el día 15/12/2006. Frecuencia de toma de datos 10 minutos. Esta es una variab le muy difícil de p redecir ya que todos los días se encuentran velocidades
y direcciones del viento totalmente diferentes. Es por esto que se asume un p romedio que
proporciona el IDEAM en su atlas. Ver tabla 1.
58
Figura 32. Anemómetro de Hilo Caliente Modelo 407123
El funcionamiento de este dispositivo es muy sencillo deb ido a que solamente se enciende,
se da un tiempo para que se configure y se pone en el lugar donde se quiere tomar la
medición. (Ver Anexo A.)
6.1.3 Sistema de Adquisición de Datos (HOBOS).
Por medio de estos dispositivos se realizaron las mediciones tanto de temperatura como de
humedad relativa en las d iferentes partes del secador. Estos son p rogramados por medio de
un software gratuito llamado Boxcar 3.6 p rovisto por el vendedor de dicho dispositivos. En
este software se especifica el intervalo entre la toma de datos, el dispositivo informa el
estado de la batería y la memoria, y calcula cuántos datos podría almacenar dependiendo
del intervalo que se escogió para la toma de datos.
59
Figura 33. Sistema de Adquisición de Datos. Tomada de
http://www.onsetcomp.com/Products/Product_Pages/HOBO_H08/H08_family_data_loggers.html. Con estos dispositivos se quiere comprobar que tan certeros fueron los cálculos analíticos
con relación a los datos experimentales que se obtuvieron.
Se utilizaron 4 Hobos ubicados de la siguiente manera:
Ubicación Medición
Hobo 1 Entrada Colector
Temperatura ºC HR (%)
Intensidad Luminosa (Lum/p ie 2) Intervalo de toma de datos (2 min.)
Hobo 2 Salida Colector - Entrada Cámara
Temperatura ºC HR (%)
Intervalo de toma de datos (2 min.)
Hobo 3 Salida Cámara - Entrada Chimenea
Temperatura ºC HR (%)
Intervalo de toma de datos (2 min.)
Hobo 4 Salida Chimenea Temperatura ºC
HR (%) Intervalo de toma de datos (2 min.)
Hobo # 1 entrada del Colector, se puede tomar como las condiciones ambiente. Hobo # 2 salida del colector reporta el aumento de temperatura del aire Hobo # 3 salida de la cámara, reporta la temperatura dentro de la misma
60
Hobo # 4 salida de la chimenea reporta la temperatura del aire a la salida del sistema.
Figura 34. Ubicación de los sistemas de adquisición de datos dentro del secador.
6.1.4 Tensión Superficial (Puntas y Bandejas de Agua) y Pruebas de
Evaporación.
Con este dispositivo se mide la taza de evaporación dentro del secador. Son alfileres a los
cuales se les ha soldado resistencias de 1KΩ y tienen un diferencia en altura de 0.5 mm. Se
diseña un circu ito que se cierra al estar algún alf iler dentro del agua, se in icia con todos los
alfileres sumergidos, a medida que baja el nivel de agua dentro de las bandejas van dejando
de hacer contacto los alfileres con el agua d isminuyendo la resistencia total que empieza
con 10 KΩ (todos los alfileres sumergido) y va disminuyen hasta que termina en 0 KΩ
cuando no se encuentra ninguno sumergido. Cada cambio de resistencia p roduce un cambio
en el voltaje, teniendo certeza de cuánto tiempo transcurre entre un alfiler y otro.
61
Figura 35. Fotografías y diseño en Solid Edge del dispositivo para medición de la tasa de evaporación.
Se utilizo una bandeja de 15cm. x 10cm totalmente llena de agua aproximadamente 5 cm,
en otras palabras 75000 mm3 la cual fue ubicada dentro del secador en la posición donde se
ubican las bandejas de secado.
6.2 Calibración de los Instrumentos.
Los diferentes instrumentos fueron calibrados para tener certeza de que los datos
proporcionados son confiables.
• Las fotorresistencias fueron calibradas con base en el radiómetro.
• El anemómetro se encontraba calibrado por el distribuidor.
• Los sistemas de adquisición de datos se calibraron por medio de anemómetro el cual
tiene la posibilidad de medir temperatura y humedad relativa. Además de esto se
tomaron los datos de los 4 Hobos en las mismas condiciones ambientales para saber
sí todos estaban realizando la misma med ición.
62
• En las puntas de medición se calibró la d istancia entre una punta y otra por medio
de un calibrador p ie de rey .
Al final se encontró que los dispositivos tenían rangos de error que pueden afectar los
resultados a la hora de la toma de datos.
Hobo 1 Hobo 2 Hobo 3 Hobo 4 Anemómetro Temperatura (ºC) 18,28 18,66 18,66 19,42 18
HR (%) 45,6 57,9 61,4 60,2 48,8
7. Resultados y Análisis
Secado del Café
Se toman 2 kg. de café seco de agua (despulpado, lavado y oreado) pesados en una balanza
perfectamente calibrada. Esta muestra se esparce dentro de las bandejas de secado
formando una capa de un espesor de 3cm aproximadamente. Las bandejas se ubican dentro
del secador por 36 horas ap roximadamente.
La p rueba inicia el 16 de Diciembre de 2006 a las 11:00 am y termina el 17 de Diciembre a
las 9:00 pm. El secador se instaló desde las 9 am para que se estabilizaran las temperaturas
dentro de las diferentes partes. Se tiene bastante cuidado al momento de cerrar el secador
para reducir al máximo las pérdidas de calor a través de la puerta de la cámara. Después de
trascurrido el tiempo de la p rueba el café se retira de las bandejas y se pesa nuevamente
para conocer la cantidad de agua que fue evaporada.
Se halla la masa de agua inicial en el p roducto ya que se supone la humedad a la cual el
café debería encontrarse después de su lavado, a continuación se ilustra el p rocedimiento,
( )( )
grainicialMasaOHgrgrOHinicialMasa
finalHumedadinicialHumedadinicialPesoOHinicialMasa
1174587.02000sec___82612.0533.02000__
____
22
2
=×==−×=
−−×=
63
El peso del agua en el producto deshidratado es:
MsHfMaf ××= 001.0 [20]
Maf = Masa de agua que queda en el producto
Ms = Masa de materia seca del producto final
Hf = Humedad final del producto (%)
OgrHMaf 288.14011741201.0 =××=
Masa de Agua evaporada = 826-140.88 = 685.12 gr. de A gua. [21]
grgrgrfinalMasaEvapaguaMasainiMasa
88.1314.12.685.2000____
=−=−
[22]
Terminado este tiempo, se retira el café de las bandejas y se pesa nuevamente para conocer
el porcentaje de agua evaporado, se obtuvo un peso de 1620 gr., una diferencia de 380 gr.,
un poco más de la mitad de agua que puede ser evaporada exactamente el 55.46% del agua
fue removida del p roducto.
Si comparamos el valor teórico (1314.88gr) y el valor real (1620gr), vemos que son
diferentes cuando deberían ser iguales o muy cercanos. Día y medio no fue suficiente para
que la muestra llegara a su estado final de secado, esta diferencia en peso es agua la cual no
alcanzo a ser retirada. Según estos resultados la muestra llegaría al 100% del secado en más
o menos 3 d ías. Normalmente en un secador típ ico al aire libre el secado se demora entre 5
a 7 días. Podemos identificar que la muestra llego a un contenido de humedad equivalente a
la del secado al aire libre pero en un periodo de secado más corto.
Intensidad Luminosa.
Con la ayuda del Hobo # 1 se cap turan datos de la intensidad luminosa (Lum/p ie2) que
incide sobre el secador, al mismo tiempo en que se está realizando el p roceso del secado.
En la gráf ica 10 se muestra el comportamiento de esta variable:
64
Gráfica10. Intensidad Luminosa durante el secado.
Se observa el comportamiento de esta variable (Intensidad luminosa) durante el tiempo del
secado, nos percatamos que no son las mejores condiciones que se desean. Durante el día se
presentaron algunas caídas, esto debido a la nubosidad que se p resento. Este es un buen
ejemplo de las condiciones a las cuales puede estar expuesto el secador. El d ía estuvo
bastante nublado y en la noche se p resentaron lluvias.
Temperatu ras
Por medio de los sistemas de adqu isición de datos Hobos se tomaron las temperaturas
dentro del secador durante todo el p roceso del secado.
A continuación se muestran los datos obtenidos por los 4 Hobos dentro del sistema:
65
Gráfica 11. Temperatura de los 4 Hobos dentro del secador.
Gráfica 12. Temperatura de los 4 Hobos dentro del secador de 6:00 am a 6:00 pm. En la gráfica 11 y 12, se observa que el comportamiento del secador fue muy cercano al
esperado, pero con algunas pequeñas desviaciones que son las siguientes: el dispositivo a la
salida del colector alcanzó a llegar a una temperatura cercana a los 55° C saliéndose de los
límites de diseño.
15
20
25
30
35
40
45
50
55
06:00:00 a.m. 12:00:00 p.m. 06:00:00 p.m.
Tem
pera
tura
°C
Temperatura dentro del Secador
Colector
Entrada CámaraSalida CámaraChimenea
66
Por otro lado, las diferencias de temperatura que se tenían p revistas entre colector-cámara y
cámara-chimenea que son de 11.45° C y 9.77° C, respectivamente. Ver Tabla 3 y 5, no se
conservaron por completo, son ap roximadamente 8° C y 5° C de diferencia, esto se debe
principalmente a la dificu ltad de aislar el sistema, sus geometrías no son fáciles para tener
certeza de cero pérdidas de calor dentro del secador y a esto se suman las condiciones
ambientales durante la prueba.
Observamos como durante la noche el secador p resenta un comportamiento constante en
todos sus componentes colector, cámara y chimenea, conservando la misma temperatura
dentro del sistema impidiendo la disminución de la temperatura hasta valores perjudiciales
para el producto, que son los inferiores al punto de rocío (20ºC). Ver Gráfica 14.
Humedades Relativas
Por medio de los sistemas de adquisición de datos Hobos se tomaron las humedades
relativas dentro del secador durante todo el p roceso del secado.
A continuación se muestran los datos obtenidos por los 4 Hobos dentro del secador:
Gráfica 13. Humedad relativa de los 4 Hobos dentro del secador.
67
Al igual que con las temperaturas, las humedades relativas nos muestran el comportamiento
esperado, valores lo más pequeños posibles. En la gráf ica 13, vemos como el Hobo 1
(entrada del colector) se p resenta la humedad relativa más alta, contiene las temperaturas
del aire más bajas dentro del secador, en otras palabras tiene la capacidad de retirar menos
cantidad de agua del producto. En adelante se ve la disminución de la humedad relativa
puesto que influyen el colector y el Sol que calienta el aire dentro del mismo. Se observa un
comportamiento constante en la noche pero la humedad relativa del interior del secador es
inferior a la externa lo que nos indica que el secador conserva una humedad relativa más
baja aun en la noche cuando el co lector no trabaja, pues no se tiene una entrada extra de
calor que haga la diferencia de las temperaturas.
Gráfica 14. Comparación entre el punto de Rocío y la temperatura del Secado
En la gráf ica 14 se muestra un comparativo entre las temperaturas del secador y las
temperaturas de rocío, vemos como en n ingún momento la temperatura de rocío alcanza los
valores de la temperatura del secador, pasa muy cerca pero nunca los sobrepasa con esto
tenemos certeza que nunca va a ocurrir un condensamiento del vapor del agua que se
encuentra dentro del secador.
68
8. Conclusiones
• Se desarro lló un secador solar mixto para la deshidratación de café en condiciones
de p roducción de los pequeños caficultores que cumple con el comportamiento
esperado de un secador de su clase.
• El método de diseño utilizado logró predecir el comportamiento de las diferentes
partes del secador solar durante la p rueba.
• El secador nunca p resentará rehumedecimiento de la muestra, con esto se previene
el deterioro y pérdida de calidad de la misma.
• El secador solar mixto es un equipo con un funcionamiento totalmente aleatorio, en
este intervienen variables que son imposibles controlar o p redecir como la
radiación, la velocidad del viento y las condiciones ambientales.
• Se puede construir un mecanismo de secado en patio más limp io, sin la p resencia de
insectos, animales o basura que puedan afectar la calidad del café.
• Se puede d iseñar un secador solar para cualquier parte del país o del mundo, sin
importar las condiciones climáticas, a un muy bajo costo con materiales de fácil
consecución.
• Es un diseño para pequeñas p roducciones, pues la capacidad del secador depende
principalmente del área de colección de la radiación solar (Tamaño del colector) y
del tamaño de la ch imenea. Un diseño a gran escala necesitará una gran chimenea
que no se podría controlar por su tamaño.
• Con la ayuda del colector se aprovecha más cantidad de energía solar, por más que
esté totalmente nublado hay una mejor cap tación de calor que en los secadores
convencionales.
• El secador puede secar la muestra por completo en más o menos 3 días, que es casi
la mitad del tiempo que toman los secadores de patio. Exponiendo durante menor
tiempo el p roducto a hongos o bacterias que afecten su integridad.
• Se manejaron límites de temperaturas muy cercanos a los exigidos y podemos ver
que en algunos casos se sobrepasó de los 50° C recomendados.
• Se puede controlar el rehumedecimiento del café en las noches mientras este no sea
sacado del secador y no se abra la puerta.
69
• A través de la puerta se observó una pérdida de calor muy grande, el método
utilizado para abrir y cerrar la cámara no es el mejor para esta tarea ya que durante
la p rueba se observó que a pesar de que la puerta se encontraba cerrada existían
fugas por el velcro que unía la puerta a la cámara.
• Se observa una fuga de calor en la unión del f inal del colector y el inicio de la
cámara que p rovocaron que el intervalo de temperaturas fuera más estrecho. Esto
ocurre debido a que el co lector se encuentra inclinado dejando un espacio entre el
colector y la cámara.
• El aislamiento fue un problema que afectó el funcionamiento y la eficiencia del
secador por completo, puesto que se manejan uniones a d iferentes grados como es el
colector con la cámara que se encuentran a 4.3 grados de d iferencia produciendo un
obstáculo a la hora de empalmar.
• No comercializar café húmedo ya que se deja de dar un valor agregado al café que
pierden los cafeteros al venderlo húmedo.
• Se está ayudando al planeta imp lementado mecan ismos que utilizan fuentes de
energía alternativas para el desarro llo de nuevas tecnologías.
9. Recomendaciones
• Se deben tomar mayor cantidad de datos para tener valores un poco más
aproximados de radiación y velocidad del v iento.
• Se debe utilizar el radiómetro en la zona de estudio para no tener error en la
medición debido a la incertidumbre de las fotorresistencias.
• Diseñar un sistema que permita que el secador pueda retirar agua en las noches,
pues este modelo solamente lo está realizando durante el día.
• Se deben realizar más p ruebas al secador para realizar una verdadera caracterización
de sus capacidades, por ejemplo realizar varias veces la p rueba de las bandejas de
secado.
• Se debe diseñar un sistema de ventilación adicional (una compuerta) para que en el
momento que el secador p resente temperaturas superiores a las requeridas como nos
70
sucedió esta se abra y mantenga la temperatura dentro del secador evitando el
recalentamiento.
• Se debe realizar un secado del café hasta que este se encuentre seco de trilla, 12%
de humedad y repetir varias veces la p rueba.
• Se debe realizar secado de café a diferentes condiciones ambientales para poder
tener un p romedio de los valores operativos del equipo.
• Se deben secar otros p roductos de gran impacto económico y en los cuales el secado
pueda ser salida para crear nuevos mercados.
• Diseñar un nuevo método que no sea el velcro para el sellado de la puerta en la
cámara de secado donde se reduzcan las pérdidas de calor.
10. Referencias Bibliográficas
[1] CAFICULT URA COLOMBIANA, LA ZONA CAFETERA COLOMBIANA. Pág. 1- 2. Recuperado el 12 de Septiembre de 2006 de http://www.cafedecolombia.com/caficultura/zonacafetera3.html [2] POST COSECHA Y BENEFICIO, EL SECADO. Recuperado el 12 de Septiembre de 2006 de http://www.cafedecolombia.com/caficultura/secado.html [3] CAFICULT URA COLOMBIANA, LA ZONA CAFETERA COLOMBIANA. Pág. 2. Recuperado el 12 de Septiembre de 2006 de http://www.cafedecolombia.com/caficultura/zonacafetera.html [4] Berrueta, V.M. & Limón, F. & Fernández, J.L. & Soto, M.L. (2003). PARTICIPACIÓN CAMPESINA EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR PARA CAFÉ. Pág. 95 – 106. Agrociencia, vol. 37, (Número 001) Recuperado el día 3 de Septiembre del 2006, de http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/302/30237110.pdf [5] Rengifo, R. SECADOR SOLAR DE MADERA Y OT ROS PRODUCT OS AGRÍCOLAS, Recuperado el día 3 de Septiembre del 2006, de http://redenergiaalternat iva.org/biblioteca/extras/Secador%20Solar%20de%20Madera%20y%20Otros%20Productos%20Agrcolas.pdf [6] Federación Nacional de Cafetero. EL CLIMA EN LA ZONA CAFETERA: LOCALIZACIÓN DE LA RED METEOROLÓGICA, Recuperado el día 12 de Septiembre del 2006, de http://www.cenicafe.org/modules.php?name=Estado_del_tiempo_en_la_Zona_Cafetera&lite=0 [7] Muñoz, D. & Cabrera, G. (2006) EL SECADO DIRECT O E INDIRECT O DE PIÑA, Facultad de Ciencias Agropecuaria, vol.4, (Número 1) Recuperado el 3 de Septiembre del 2006, de
71
http://www.unicauca.edu.co/biotecnologia/ediciones/vol4/7.pdf [8] Ministerio de Minas y Energía. Director Flórez Piedrahita, C.A.; IDEAM, 2005.ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR DE COLOMBIA. Bogotá. Recuperado el 24 de Septiembre del 2006, de http://institucional.ideam.gov.co/jsp/info/inst itucional/media/descargas/at las_radiacions/1-Preliminares.pdf, http ://www.ideam.gov.co/rad iacion.htm http://yuma.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lT ipo=publicaciones&lFuncion=loadContenidoPublicacion&id=270, http://www.ideam.gov.co/atlas/mclima.htm. [9] Ministerio de Minas y Energía. Director Piedrahita, C.A.; IDEAM, 2005. ATLAS CLIMATOLÓGICO DE COLOMBIA. Bogotá: Recuperado el 24 de Septiembre del 2006 de http://institucional.ideam.gov.co/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=publicaciones&lFuncion=loadContenidoPublicacion&id=815 [10] Kit inoja, L. & Kader, A. (1995) MANUAL DE PRACT ICAS DE MANEJO POST COSECHA DE LOS PRODUCT OS HORT OFRUT ÍCOLAS A PEQUEÑA ESCALA, Capitulo 10: Bolet ín 410. Traducido por López-Galvez, G. Recuperado el día 3 de Septiembre de 2006 de http://www.fastonline.org/CD3WD_40/INPHO/VLIBRARY/NEW_ELSE/X5403E/ES/X5403S0D.HTM [11] Municipalidad de Venado T uerto. ENERGÍA SOLAR, SECADOR SOLAR. ENERGÍAS RENOVABLE S. Recuperado el día 14 de Septiembre de 2006, de http://www.energiasrenovables.gov.ar/secador-solar.htm [12] Barrera, A. (2001) NUEVO MODELO DE SECADOR SOLAR. Inst ituto Nacional de Tecnología Agropecuaria Tec.Pro-Huerta INT A Caucete, Recuperado el día 18 de Septiembre de 2006 http://www.inta.gov.ar/info/intainfo/img/secador1.jpg [13] Imagen de la BALANZA ACCULAB. Recuperada el día 17 de Enero de 2007 de http://mecanica.uniandes.edu.co/manager.php?id=657&accion=1&parent_id=655 [14] Imagen del CRONOMET RO. Recuperada el día 17 de Enero de 2007 de http://www.oliviero.it /img/art icoli/6/8/4686/hs_3v_8b_casio_thumb.gif [15] Incropera, F.P. & DeWitt , D.P. (1999) Fundamentos de transferencia de calor. (4ª Ed.). México: Prentice Hall. [16] AMERICAN SOCIET Y OF HEATING REFRI GERAT ION AND AIR- CONDITIONING ENGINEERS, ASHRAE HVAC (2001). Fundamentals Handbook, USA. [17] Imagen de la FOTORRESIST ENCIA. Recuperada el día 6 de Diciembre de 2006 de http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:LDR.jpg [18] Imagen de las ESPECIFICACIONES DE LOS HOBOS, Recuperada el día 6 de Diciembre de 2006 de http://www.onsetcomp.com/Products/Product_Pages/HOBO_H08/H08_family_data_loggers.html
72
[19] Corvalan, R. & Horn, M. & Román, R. & Saravia, L. (1992). PROGRAMA DE CIENCIA Y T ECNOLOGÍA PARA EL DESARROLLO. V CENT ENARIO. Subprograma Nuevas Fuentes y Conservación de Energía; Ingeniera del Secado Solar. Santiago de Chile: Impresos Universitarios [20] Vélez-Hoyos, M. & Bustillo-Pardey , A. E. & Rafael- Álvarez, J. (Diciembre 2002). Secador solar parabólico modificado para el control de la broca del café. Avances técnico Cenicafé, (Número 306), 1 – 4. [21] Ramirez, C.A. & Oliveros, C.E. & Roa, G. (Noviembre 2002). Construya el secador solar parabólico. Avances técnicos Cenicafé, (Número 305), 1 - 8. [22] Cárdenas Gómez, A. P. (2005) “Construcción y puesta en marcha de un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado”. Universidad de los Andes, Bogotá. [23] Karim, M.A. & Hawlader, M.N.A. (2003) DEVELOPMENT OF SOLAR AIR COLLECT ORS FOR DRYING APPLICAT IONS. [24] Mujumdar, A. (1995). HANDBOOK OF INDUSTRIAL DRYING. (2ª Ed.). New York: Basel: Dekker. [25] Puerta-Quintero, G.I. (Febrero 2001). Cómo garantizar la buena calidad de la bebida del café y evitar defectos. Avances técnicos Cenicafé, (Número 284), 1 - 8. [26] Federación Nacional de Cafeteros. Programa de Invest igación Científica. Centro Nacional de Invest igaciones del Café. Cenicafé. CONDICIONES CLIMÁT ICAS EN LA ZONA CAFET ERA COLOMBIANA. Recuperado el día 12 de Septiembre de 2006 de http://www.cenicafe.org/modules.php?name=Estado_del_tiempo_en_la_Zona_Cafetera&lite=0 [27] Imagen de las ESPECIFICACIONES T ÉCNICAS ANEMÓMET RO DE HILO CALIENTE. Recuperado el día 7 de Diciembre de 2006 de http://mecanica/manager.php?id=714&accion=1&parent_id=690
73
Anexos y Tablas ANEXO A. S ecador Parabólico Convencional
Figura 36. Imagen tomada de http://www.tecnatrop.com/mod5.jpg
ANEXO B.
Especificaciones del Anemómetro de Hilo Caliente Modelo 407123
Tomado de http://mecanica/manager.php?id=714&accion=1&parent_id=690.
74
ANEXO C.
Especificaciones de los Sistemas de Adquisición de Datos (HOBOS)
• Temperature M easurement Range: -20° to 70°C (-4° to 158°F)
• Temperature Accuracy : ±0.7° at 21°C (±1.27° at 70°F)
• RH M easurement Range: 25% to 95% RH (user-rep laceable RH sensor)
• RH Accuracy : ±5% RH
• External Input Channel Measurement Range: 0-2.5 DC Volts (See External Sensors)
• External Input Channel Accuracy : ±10 mV ±3% of reading Tomado de los Manuales del los dispositivos.
ANEXO D.
Especificaciones del Plástico de Invernadero.
Laminas Plásticas Termicid ad Transmisión de Luz Total Transmisión de Luz Difusa
Agroplast NSF Esp 5 60% 87% 23% Agroplast NSF Esp 6 65% 85% 25% Agroplast N Esp 6 43% 83% 20% Agroplast N Esp 5 41% 84% 15% Agroclear XF (Antiv ectores) Esp 5 65% 85% 32% Agroclear XF (Antiv ectores) Esp 6 70% 83% 34% Agroclear X (Antiv ectores) Esp 5 51% 83% 29% Agroclear X (Antiv ectores) Esp 6 52% 82% 30% Agroclear F 70% 83% 30% Agroclear Esp 5 36% 87% 15% Agroclear Esp 6 45% 86% 19% Agroclear SF Esp 6 73% 86% 27% Agroclear S 40% 86% 19%
Información tomada de los catálogos del proveedor. ANEXO E.
Planos del Equipo.
A continuación se muestran los p lanos detallados de las partes del secador solar.
75
76
77
