Universidad Nacional Mayor de San Marcos CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION
description
Transcript of Universidad Nacional Mayor de San Marcos CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION
““CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS
MEDICINALES NO TRADICIONALES"MEDICINALES NO TRADICIONALES"
Universidad Nacional Mayor de San MarcosCENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION
EN TERMOFLUIDOS - CEDIT
Integrantes:
CURO Moya , Herve
HUANCAHUARI Yarasca, Eder
LLANTOY Parra, Víctor
SIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo
Asesor:
Ph.D Andrés Valderrama Romero
INTRODUCCIÓN
Uno de los principales problemas en la producción de plantas medicinales es
contar con un método adecuado para su conservación, comercialización y
distribución; el proceso de secado o deshidratación de dichos productos, es la
solución más adecuada.
En el Perú, existen tradiciones relacionadas al uso de energía solar para el
secado de diversos productos agrícolas. Esta labor se lleva a cabo mediante la
exposición directa al sol de estos productos, el método es provechoso pero no
regulable. Esta investigación propone un prototipo de secador solar indirecto
para plantas medicinales no tradicionales, que será diseñado y construido en
base a los principios de Transferencia de Calor y Masa, Termodinámica y Flujo
de Fluidos.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERALOBJETIVO GENERAL• Diseño, construcción y puesta en marcha de un prototipo
de secador solar para la reducción de humedad de las plantas medicinales no tradicionales y de este modo incentivar el cultivo de plantas medicinales no tradicionales en las zonas rurales (alto andinas y otras).
OBJETIVOS ESPECIFICOSOBJETIVOS ESPECIFICOS• Calcular la eficiencia del colector solar y el proceso de
secado.• Reconocer las plantas medicinales no tradicionales más
apropiadas para que puedan ser industrializadas.• Determinar el tiempo óptimo de secado de las hojas de las
plantas medicinales no tradicionales consideradas.
Proceso de secado: La Humedad.Proceso de secado: La Humedad.
Humedad Superficial e Interna de un material.
Métodos para hallar la humedad:
–Método Directo.
–Método Indirecto.
DEFINICIONES PREVIASDEFINICIONES PREVIAS
• Humedad en base húmeda.Humedad en base húmeda.
• Humedad en base seca.Humedad en base seca.
Mwb: Es la humedad en base húmeda (Kg. agua / Kg. prod. húmedo)
Mdb: Es la humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod. seco)
Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.)
Ww: Cantidad de agua en el producto húmedo (Kg.)
Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.)
o
do
o
wwb W
WW
W
WM
d
do
d
wdb W
WW
W
WM
Materiales Higroscópicos
“En los materiales higroscópicos la humedad contenida esta usualmente “atrapada” en pequeños capilares cerrados, siendo imposible llegar hasta valores de humedad iguales a cero y por tanto siempre existirá un contenido de humedad residual, como es el caso de las plantas medicinales no tradicionales”.
Secadores Solares.
Secador solar directo Secador solar directo
En este tipo de secadores el producto se usa como superficie absorbente de la radiación solar. En ellos, el secado se realiza en menor tiempo pero también es menos uniforme, con ventajas para las partes del producto directamente expuestas al sol. Es eficiente con productos resistentes a la radiación solar directa.
Secadores Solares.
Secador solar indirectoSecador solar indirecto
Ofrece una mejor calidad del producto, al no incidir sobre el mismo la radiación solar directamente; la manipulación del producto es generalmente más fácil; el control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire.
• Por convección natural
• Por convección forzada
Secadores Solares.
Secador solar mixtoSecador solar mixto
En ellos el producto esta expuesto simultáneamente a la radiación solar directa y al aire previamente calentado con energía solar. Resultan útiles cuando el área es insuficiente para el secado solar directo, con una adecuada circulación de aire pueden producir un secado mas uniforme que este ultimo.
Partes de un secador solar indirecto
El Colector Solar. El Colector Solar.
El cual, consta de una cubierta de vidrio que permite el paso de la radiación solar de onda corta, una placa absorbente formada de una capa de piedras distribuidas uniformemente que permite absorber la radiación de onda corta concentrándola y reflejándola en radiación de onda larga. En el colector se busca elevar la temperatura del aire y reducir su humedad.
La Cámara de Secado.La Cámara de Secado.
Es una cabina cerrada, cuyas dimensiones dependen de la cantidad de plantas a secar y del proceso de secado. Consta de una entrada conectada a la salida del colector y que permite la entrada del flujo de aire caliente, posee un sistema de carga y descarga de las plantas medicinales, para controlar de forma más sencilla el proceso. En la cámara, el aire circundante a las plantas (con alta temperatura) permite remover el agua contenida en ellas.
Partes de un secador solar indirecto
La Chimenea.La Chimenea.
Es un ducto aislado que permite la evacuación del flujo de aire húmedo de la cámara de secado hacia el ambiente.
Partes de un secador solar indirecto
Colector
Cámara
Chimenea
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
Se toma en cuenta las variables meteorológicas: velocidad del viento, irradiación solar, latitud, humedad y temperatura de aire (información obtenida del lugar de prueba), :
• Análisis del circuito térmico en un colector de placa plana
• Balance de energía tomando en cuenta el calor absorbido, el calor útil, y las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas.
• Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinándose el área de captación óptima y el área de paso (flujo de aire), con lo cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto).
PRIMERA ETAPAPRIMERA ETAPA: Diseño del colector solarDiseño del colector solar
Análisis del circuito térmico de un colector solar de placa plana
Cubierta (vidrio)
Placa colectora (Piedras)
Aislamiento (Tecnopor)
Sol
R2
R3
R4
RadiaciónIncidente
Reflexión
Absorción R1
Ta
Ta
R1, R2, R4 son resistencias que representan oposición a las perdidas de calor por convección y radiación
R3 representa la resistencia a la conducción a través del aislante térmico en la parte posterior y a los lados del colector
R4 es muy pequeña y despreciable
La finalidad de este análisis es obtener una resistencia equivalente(Req) que es inverso del coeficiente total de perdidas de calor (Up)
ebtl UUUU
Ut es el coeficiente total de transferencia de calor para la parte superior del colector y es
igual al inverso de las de la suma de las 2 primeras resistencias.
21t RR
1U
Ub y Ue, son los coeficientes de pérdida de calor por conducción en el fondo y los lados respectivamente, que tienen que ver con R3
3eb R
1UU
lK
U ab
c'a
e AlMPK
U
Ka = Es la conductividad térmica del aislantel = Espesor del aislante en el fondol’ = Espesor del aislante a los ladosP = Perímetro del colectorM = Altura del colector
Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana
dtdu
QQQ perdutilabs
Ecuación de Balance Energético en colectores de placa planaEcuación de Balance Energético en colectores de placa plana
Qabs (W) = Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo.Qutil (W) = Calor útil que se trasfiere al fluido de trabajo.Qperd (W) = Pérdidas de calor a los alrededores por radiación, convección y conducción.du/dt (W) = Rapidez del cambio de energía interna almacenada en el colector, despreciable.
0dt
du
H (W/m2) = Energía solar incidente.Ac (m2) = Área efectiva del colector.τ = Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colectorα = Absortancia de la placa absorbente del colector
)(cabs HAQ
)1(1
.1..
0
n
n
ρ : Es la refractancia difusa, toma diferentes valores según el número de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta ρ = 0.16
dtdT
mCpQutil
m (kg): Masa de aireCp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluidodT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempo
)( apclperd TTAUQ Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por radiación, convección y conducción Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de absorciónTa: Temperatura del ambiente.
La temperatura media es función del diseño del colector y a su vez este depende de la radiación solar incidente y la temperatura del fluido de trabajo al entrar al colector.
dt
duQQQ perdabsutil
aT
pT
cA
utilQ
lU-S
Reemplazando:
Cubierta (vidrio)
Placa colectora(Piedras)
Aislamiento (Tecnopor)
Aire frío
Aire Caliente
S
h2
h1
hr
Balance energético
Cubierta: 0)()()( 1 cfcprcat TThTThTTU
Placa: 0)()()( 2 pfpcrpab TThTThTTUS
ufpfc qTThTTh )()( 21Fluido:
(-) (+) (+)
(+) (-)(-) (-)
(-) (+)
Fluido
2221
11
))((
))(()()(
hhhUhhU
hUhUUUhUTThhUSTT
rbrt
brbbtrtafrtfp
221
2
))((
))(()(
rrbrt
rbrtbttafrfc hhhUhhU
hUhUUUhUTTShTT
))((1aflu TTUSFq
221
2122111 ))((
)
rrbrt
rtr
hhhUhhU
hhhhhUhhF
)(
))(())((
21221
212121
hhhhhUhh
hhUUhhhhhhUUU
rtr
tbrrtbl
Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por convección, utilizados en colectores solares planos.
NfN
hN
TTTT
h
fN
TT
T
C
NU
w
apmapm
weapm
pm
t
1
112
221
133.012)000591.0(
))(()
1
)(
(
Remplazando en la ecuación de fluido
Despejado de la ecuación de cubierta
Despejado de la ecuación de Placa
Comparando
)07866.01)(1166.0089.01( 2 Nhhf ww
)000051.01(520 2radC
)100
1(430.0pmT
e
N: Numero de cubiertas del colector f, C, e: Constantes dependientes.
SEGUNDA ETAPASEGUNDA ETAPA: Planteamiento de las dimensiones de Planteamiento de las dimensiones de la cámara de secadola cámara de secado
Para el cálculo de las dimensiones de la cámara de secado se toman los parámetroa siguientes: • Cantidad de producto a secar • Area de paso transversal al flujo de aire caliente•Descarga manual de los productos a secar
TERCERA ETAPATERCERA ETAPA: Diseño del Secador SolarDiseño del Secador Solar
Hallados las dimensiones del secador solar indirecto mediante los análisis realizados, se procede a elaborar los planos necesarios para su construcción, haciendo uso de un programa de diseño por computador.
CUARTA ETAPACUARTA ETAPA: Construcción delConstrucción del secadorsecador.
Los materiales empleados para la construcción del secador solar son los siguientes:
Madera Triplay, que se emplea como recubrimiento. Se eligió este material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz.
Teknopor, utilizado como aislante en determinadas zonas internas del secador.
Madera Cedro, se elige este tipo de madera por conservar sus características físicas durante su exposición al sol, comprende la parte estructural del secador.
Piedras de canto rodado (placa absorbente), estas fueron pintadas de color negro para absorber eficientemente la radiación solar.
Vidrio cristal (la cubierta), es de por sí el elemento más importante del colector.
Detalles en fotografias de la construcción del secador.Detalles en fotografias de la construcción del secador.
Detalle del ensamble
Detalle 3D del colector solar Detalle del colector
Detalle de la unión colector y cámara
sdaasddas
Recubrimiento interno del colector
Barnizado del colector solar Recubrimiento interno de la cámara
Detalle interno de la chimenea
DetallesDetalles en fotografias de la construcción del secador.en fotografias de la construcción del secador.
QUINTA ETAPAQUINTA ETAPA:: Ensayos experimentales Ensayos experimentales
Los ensayos de secado de las plantas medicinales empleando el secador solar se realizaron en Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar debido a que existe un clima
cálido y seco todo el año.
a) Instrumentación Se instaló un termómetro en la salida del colector solar, en la cámara de
secado y en la chimenea; asimismo en la cámara de secado se instaló el higrómetro. En la
entrada del colector se instalo un anemómetro y un termómetro digital .
b) Periodo de estabilización térmica Después de instalados los equipos en el secador solar
se espera un periodo de 40 min para el proceso de estabilización térmica, hasta que alcance
la temperatura de operación.
c) Monitoreo de variables Se pesa las plantas medicinales cada 20 min. tomando
simultáneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto de
medición, antes de ejecutar el pesado del producto.
Instrumentos empleados en los ensayos Instrumentos empleados en los ensayos experimentalesexperimentales
Anemómetro
Brújula
Balanza de 0.1g
Termómetros
Higrómetro digital
Termómetro digital
Vista posterior del colectorTermómetro en Chimenea y Cámara
Toma de Datos Termómetro en la salida del colector
Detalles en fotografías de los ensayos Detalles en fotografías de los ensayos experimentalesexperimentales
Plantas Medicinales Coloración Características
Verde Claro
Verde Oscuro
Verde Claro
Verde Oscuro
• Crocante• Mantiene olor característico
• Sensibilidad al tacto• Crocante• Mantiene olor característico
• Sensibilidad al tacto• Crocante• Mantiene olor característico
Resistencia a elevadas temperaturas
Características de las plantas medicinales no tradicionales que fueron secadas en el secador solar
Protocolo de ensayos experimentales
PRODUCTOPRODUCTO: Eucalipto: Eucalipto
IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea Radiación Masa de Masa de plantas plantas
TiempoTiempo
(min)(min)
HumedadHumedad
(%)(%)
T. de E.T. de E.
(ºC)(ºC)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)T de B. T de B.
(ºC)(ºC)HumedadHumedad
(%)(%)
PresiónPresión
(mBar)(mBar)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)(W/m2) (gr)(gr)
0 30 30 38 33,5 26 914 34.5 941,90 100
20 31 29 40 35,5 26 914 36 944,21 97.6
40 25 29 42 37,5 25 914 37 943,02 75.9
60 35 28 41 36 25 915 37 940,71 72.2
80 43 26,4 40 36 26 915 35 937,22 63.2
100 44 27 40 35,5 26 914 36 929,11 59.4
120 41 27 40 36 26 913 36 920,76 56.4
140 42 26,5 40 36 26 913 36 912,65 54.2
160 39 26,8 39 36 26 913 36 895,99 52.2
180 42 26 38 35 27 913 35 878,82 51.8
200 43 25,8 38 35 27 912 35 862,16 51.6
220 46 25 35,5 33 27 912 34 830,00 51.6
Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Muña: Muña
IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea RadiaciónRadiación Masa de Masa de plantas plantas
TiempoTiempo
(min)(min)
HumedadHumedad
(%)(%)
T. de E.T. de E.
(ºC)(ºC)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
T de B. T de B. (ºC)(ºC)
HumedadHumedad
(%)(%)
PresiónPresión
(mBar)(mBar)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)
0 22 31 41,5 37 26 913 37 944,01 100.0
20 22 32,6 43,5 37,5 25 913 37 941,69 88.3
40 33 30,8 45 38,5 25 913 38 939,31 97.3
60 25 30,4 45 39,5 24 913 38 936,99 76.0
80 35 30 45,5 39,5 26 913 35 928,89 65.3
90 36 29,2 45 38,5 26 913 39 920,55 64.0
100 40 29 44,5 39 26 912 38 912,45 58.7
120 41 29 43,5 38 26 912 37 895,82 55.3
140 42 28,3 43 38 26 912 36 878,68 51.3
160 42 26,8 40,5 36 28 911 36 862,05 49.3
180 50 25,6 39 34,5 28 911 34 829,99 46.3
Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Hierba Santa: Hierba Santa
IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea RadiaciónRadiación Masa de Masa de plantas plantas
TiempoTiempo
(min)(min)
HumedadHumedad
(%)(%)
T. de E.T. de E.
(ºC)(ºC)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
T de B. T de B. (ºC)(ºC)
HumedadHumedad
(%)(%)
PresiónPresión
(mBar)(mBar)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)
0 30 28 36,5 33,5 33 912 33,5 939,72 100
20 29 28 38 33 32 911 34,5 937,41 94.6
40 30 27,5 38 32 30 911 34 932,05 89.3
60 31 28,5 38 34 30 911 35 923,98 84.8
80 39 27,5 38,5 33 30 911 34 915,41 79.7
90 45 25 36,5 31 32 910 32,5 903,22 75.7
100 48 25 34,5 30 32 910 31 886,67 72.0
120 55 24 33,5 29 34 909 30,5 870,13 68.5
140 56 21,9 32 28,5 36 909 29 845,23 65.5
160 59 20,9 30,5 27 38 909 28 813,44 63.1
180 58 22,5 31 27,5 39 909 28,5 781,65 60.5
200 58 22 31,5 27 40 909 27,5 730,94 58.4
220 58 22 31,5 31,5 27 40 909 27,5 56.0
240 56 22 31 31 27,2 39 909 28 54.2
260 57 20,9 28 28 25 41 908 25,5 52.8
280 69 18,5 25,5 25,5 22 44 908 23 51.9
Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Toronjil: Toronjil
IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea RadiaciónRadiación Masa de Masa de plantas plantas
TiempoTiempo
(min)(min)
HumedadHumedad
(%)(%)
T. de E.T. de E.
(ºC)(ºC)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
T de B. T de B. (ºC)(ºC)
HumedadHumedad
(%)(%)
PresiónPresión
(mBar)(mBar)
T. De S. T. De S.
(ºC)(ºC)
(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)
0 44 25,4 36 35 48 910 33 938,40 100
20 44 28,5 39 36 42 911 37 936,04 85
40 45 27 36 34 35 912 36 930,68 74.7
60 45 26 35 35 32 912 34 922,63 64.6
80 45 27 34 32 31 912 33 914,08 56
90 45 27 32 31 33 912 32 901,96 50.2
100 46 25 30,5 30 34 913 30,5 885,54 44.8
120 47 24 30 29 38 910 29 869,11 40.0
140 47 25 29,5 29 39 910 29 844,47 36.3
160 52 24 30 29 39 910 29 813,06 34.4
180 56 23,5 30 29 40 910 30 781,66 32.0
200 61 22 28 27,5 40 910 28 731,94 29.5
220 61 22 28 27,5 40 910 28 731,94 28.4
240 62 21,5 27 26,5 42 910 27 666,85 26.8
260 63 20,3 27 26,5 42 908 26 601,75 26.4
1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales
Varíación de la humedad de las plantas medicinales respecto al tiempo de secado; el Toronjil reduce su contenido de humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y concluye el proceso de deshidratación con 18.2% de humedad. Le siguen la Muña y el Eucalipto que se inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y 17% respectivamente. La Hierba Santa es la planta medicinal que posee menor velocidad de secado.
ANALISIS DE RESULTADOS
Toronjil
f(x)=81.476115*0.99229213^x; R²=0.9937
Hierba Santa
f(x)=78.834802*0.9968247^x; R²=0.9957
Muña
f(x)=75.918379*0.99325744^x; R²=0.9798
Eucalipto
f(x)=59.09509*0.99272532^x; R²=0.9221
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
-10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x
y
Porcentaje de Humedad (%)
Tiempo (min)
Gráfica Humedad Contenida vs Tiempo
lEucalipto ___________Muña ___________Hierba Santa ___________Toronjil ___________
2. Velocidad de secado2. Velocidad de secado
La mayor velocidad de secado la obtuvo el toronjil, seguido por la muña, después el eucalipto y finalmente es la hierba santa. Este factor es importante a tener en cuenta debido a que mide la eficiencia o productividad de secado para estas plantas medicinales, utilizando el secador y la cámara de secado construida. Si se desearía considerar la posibilidad de industrializar este proceso se tomaría otras plantas medicinales cuyas características biológicas y estructura física serían similares al Toronjil y la muña.
Velocidad (dM/dt)Velocidad (dM/dt)
Tiempo (min)Tiempo (min)0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
40 80 120 160 200
Eucalipto
Muña
Hierba Santa
Torojil
3. eficiencia térmica de secado
La mayor eficiencia de secado se logró con el toronjil, debido a que fue uno de los productos de mayor humedad inicial. Las condiciones de temperatura del día de ensayo fueron más óptimas, también las características biológicas y físicas de las hojas del toronjil (estructura venosa con gran capacidad para almacenar agua) fueron aprovechadas
Eficiencia (%)Eficiencia (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eucalipto Muña Hierba Santa Toronjil
4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del 4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del colector solarcolector solar
Un mayor flujo másico y una mayor eficiencia de secado no implica que se tenga una mayor pérdida de humedad en el secado debido a que el aumento de flujo másico de aire depende de la velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la temperatura a la salida del colector solar que es la temperatura de inicio en la cámara de secado.Eucalipto
Muña
f(x)=65.071984*ln(x)+278.26888; R²=0.7425
f(x)=60.10036*ln(x)+272.857; R²=0.891
Hierba Santa
f(x)=47.351167*ln(x)+210.52449; R²=0.8767
Serie 1
f(x)=22.938878*ln(x)+115.70839; R²=0.7345
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055
20
40
60
80
100
x
y
Influencia del Flujo másico deaire en la eficiencia del colector
Flujo másico (kg/s)
Eficiencia (%)
ExperimentalEucalipto ___________Muña ___________Hierba Santa ___________Toronjil ___________
5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector
Eficiencia medida del Eucalipto
Eficiencia simulada del Eucalipto
f(x)=-0.00016001499*x 2̂+0.025437562*x+57.744121; R²=0.1988
Eficiencia medida de la muña
Eficiencia simulada del colector
f(x)=-0.00013665501*x 2̂+0.020540093*x+56.94007; R²=0.1676
f(x)=-0.0013354349*x 2̂+0.34411954*x+46.439965; R²=0.7942
f(x)=-0.001589734*x 2̂+0.40863898*x+45.186516; R²=0.8218
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
35
40
45
50
55
60
65
70
x
y
Eficiencia (%)
Tiempo(min)
Experimental SimuladaEucalipto ___________ -------------Muña ___________ -------------
Eficiencia térmica del Colector
Se aprecia una zona en donde la eficiencia experimental del Eucalipto y la Muña son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio el mayor aprovechamiento de la energía solar y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) fueron óptimas.
6. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector6. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector
Se aprecia una zona, donde la eficiencia experimental de la Hierba Santa y Toronjil son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) no fueron los ideales.
Eficiencia medida de la muña
Eficiencia simulada de la muña
f(x)=-0.0012554815*x 2̂+0.31967495*x+44.889328; R²=0.367
f(x)=-0.00021060318*x 2̂+0.04127782*x+57.902765; R²=0.3009
Serie 1
Eficiencia simulada de toronjil
f(x)=-0.00064400755*x 2̂+0.1279079*x+52.447464; R²=0.5795
f(x)=-0.0010203047*x 2̂+0.23677872*x+48.49035; R²=0.8524
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
35
40
45
50
55
60
65
70
x
y
Eficiencia (%)
Tiempo(min)
Experimental SimuladaHierba Santa ___________ -------------Toromjil ___________ -------------
Eficiencia térmica del Colector
Análisis de la Eficiencia Térmica del colectorAnálisis de la Eficiencia Térmica del colector
Se comparan las dos figuras anteriores, observandose lo siguiente:
a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias experimentales fueron mayores que las simuladas.
b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en donde el secador esta en proceso de calentamiento; Zona II, en donde el colector trabajó con las mejores condiciones térmicas y la Zona III, en donde el secador se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las condiciones climáticas externas en el momento de los ensayos experimentales.
Las eficiencias simuladas con el programa creado en base a las ecuaciones de balance de energía y los fenómenos de transferencia de calor son del 50% al 60%; cuando se realizaron los cálculos experimentales se obtuvieron eficiencias en el rango de 40% a 75% esto se debe a que las condiciones climatologías variables que existía en los días de las pruebas experimentales; obteniéndose mayores eficiencias con las plantas medicinales Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120 min de empezada la prueba (1:30 p.m.).
Análisis de la Eficiencia Térmica del colectorAnálisis de la Eficiencia Térmica del colector
Análisis de la Eficiencia Térmica del colectorAnálisis de la Eficiencia Térmica del colector
COEFICIENTE CONVECTIVO DE COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALORTRANSFERENCIA DE CALOR
Se aprecia que el mayor valor del coeficiente convectivo se obtuvo para el toronjil, demostrando de esta manera que con el toronjil se ha producido un mayor aprovechamiento de la energía calorífica.
hc(W/m2ºC) EucaliptoHierba Santa
Muña Toronjil
Convección Natural
0,55 1,41 1.00 1,89
En la tabla podemos observar los valores promedios de los coeficientes convectivos entre el fluido (aire) y la superficie de cada planta medicinal, calculados siguiendo la metodología propuesta por Tiwari donde se hallan los números de Grashof y de Prandtl
CONCLUSIONES
El proceso de diseño, construcción y de realización de los ensayos experimentales del secado indirecto de las plantas medicinales, se tiene las conclusiones siguientes:
1) Este proyecto demuestra que es posible desarrollar tecnología apropiada para el secado de productos agrícolas en el Perú, en este caso se realizó el proceso de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto.
2) El Toronjil es la planta medicinal más apropiada para las características constructivas del secador indirecto debido a su elevada eficiencia de secado y a que la velocidad de secado es mayor que en las otras plantas medicinales.
3) La hierba santa es la planta medicinal que no se adecua a las características constructivas del secador solar indirecto, debido a su baja eficiencia de secado y a su baja velocidad de secado en comparación con las otras plantas medicinales.
4) Para un mayor aprovechamiento de la energía solar por el colector solar indirecto; las pruebas experimentales se deben realizar en el intervalo de tiempo que exista mejores condiciones de la variación de temperatura; en nuestro caso de 10 a.m. á 4 p.m.).
5) Los coeficientes convectivos entre el aire calentado y las plantas medicinales varían en el rango de 0.55 a 1.89 W/m2ºC, siendo mayor en el caso del Toronjil y menor en el caso del eucalipto.
Ingeniería Mecánica de Fluidos 1er nivel
Universidad nacional Mayor de San marcos
Teléf.: 6197000 anexo 3819
Pag. Web : www.cedit-termofluidos.com
Correo: [email protected]
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos
Propiedades Físicas del aire húmedoPropiedades Físicas del aire húmedo
•Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)
•Cálculo de la densidad ρ (kg / mCálculo de la densidad ρ (kg / m33))
•Cálculo de la viscosidad dinámica (N.s/mCálculo de la viscosidad dinámica (N.s/m22))
•Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)
•Cálculo del coeficiente de expansión térmica Cálculo del coeficiente de expansión térmica ββ11(K(K-1-1))
15.27344.353
mT
3824 107581.610101.11434.02.999 mmm TTTCe
mT 85 1062.410718.1
mv TK 4107673.00244.0
15.273
11
mT
Las propiedades del aire húmedo dependen exclusivamente de la temperatura:
Análisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secadoAnálisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secado
El coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) para convección natural puede ser determinado, según Tiwari, usando el procedimiento basado en la obtención del número de Nusselt, Grashof y de Prandtl.
vK
XchNu
v
e
K
C
Pr
2
31
2
321
TXgTXg
Gr
baba
X
Nu: número de Nusselt.hc: Coeficiente de transferência de calorKv: Conductividad térmica del aire húmedoX: Dimensión característica de la superficie de exposiciónPr: Número de Prandtl.Gr: Número de Grashof.m: Viscosidad dinámica.Ce: Calor específico.g: Aceleración de la gravedad.b1: Coeficiente de expansión térmica.ρ: Densidad (Kg/m3)ΔT: Incremento entre la temperatura del producto y la temperatura superficial (ºC) a: Largo de la bandejab: Ancho de la bandeja
Determinación de coeficientes convectivos en circulación naturalDeterminación de coeficientes convectivos en circulación natural
Es el requerimiento térmico para secar un producto, representa la cantidad de energía que tiene que absorber el producto para vaporizar su humedad, esto es, la energía necesaria para evaporar 1 Kg. de agua
Cálculo del calor latente de vaporización Lv (J/kg)
))16.273(( 21 TppM
RL ssv
R: La constante de los gases ideales (8314 J/kmolK)M: El peso molecular del agua (18.01 kg/kmol)Ps1: constante de la ecuación (6547.1)Ps2: constante de la ecuación (4.23)T: La temperatura (ºC)Tm: La temperatura media del fluido (ºC)El número de Nusselt para convección natural se halla en función de ambos números adimensionales
El número de Nusselt para convección natural se halla en función de ambos números adimensionales
nGrCNu Pr)(
C = Constanten = Constante
despejamos el coeficiente de transferencia de calor
nGr
X
CvK
ch Pr).(
XvXv 00Re
v0 = velocidad del aire superficial (m/s)
La potencia térmica es la empleada en evaporar la humedad del producto
))()((016.0spp
TPTPcheQ
Qe: Potencia térmica (J/sm2)P(Tp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura del productoP(Tsp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura superficial Ø: Humedad relativa superficial
Calculo de la presión parcial del vapor de agua a una temperatura (T)Calculo de la presión parcial del vapor de agua a una temperatura (T)
15.273
5144317.25exp
TTP
sppnv
e TPTPGrX
CKQ
Pr016.0
Cálculo de la humedad evaporada del producto meCálculo de la humedad evaporada del producto mevv
tATPTPGrLX
CK
L
tAQm tspp
n
v
v
v
teev
Pr016.0
At: Área de la bandeja (m2)t: tiempo (s)
tATPTPLX
KZ tspp
v
v
016.0 Luego nev GrC
Z
mPr)(
Tomando logaritmo natural YXnCGrnCZ
mev 00Pr)ln()ln()ln(
20
20
00
)(
XXN
YXYXNn )exp(
)( 020
20
0020
0 CCXXN
YXXYXC
N: numero de observaciones más el número de variables independientes Es posible calcular C y n mediante las expresiones anteriormente mostradas conociendoel área de exposición (At), la dimensión característica de la superficie de exposiciónde producto (X), mediante el registro de en el tiempo de las variables (t), temperatura del producto (Tp), temperatura superficial (Tsp), humedad relativa (ø), perdida de peso (el valor del agua evaporada mev (kg), será la diferencia entre 2 valores consecutivos de pérdida de peso), calculando con los datos mencionados Z, Y, X0, C0.
Lv: Calor latente de vaporizaciónDefiniendo un parámetro auxiliar Z