¹Ingeniero Mecánico, M.Sc, Facultad Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira, corozco@utp.edu.co

²Ingeniero Mecánico, M.Sc, Facultad de Tecnologías, Universidad Tecnológica de Pereira,

³Ingeniero Mecánico, M.Sc, Ph:D., Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de Pereira.

Correspondencia: Carlos A. Orozco; E-mail: corozco@utp.edu.co Tel: +57 (6) 3137124 ext. 124

Recibido para evaluación: 13/04/2011. Aprobado para publicación: 18/04/2011

RESUMEN

El principal problema que tiene un secador solar híbrido (solar asistido con gas o electricidad) son sus costos de operación por consumo de energía. Para ello se determinó el espesor óptimo de aire confinado en la cubierta plástica el cual actúa como aislamiento térmico, se calculó el coeficiente global de transferencia de calor 'U', se estimó la potencia de la fuente externa la cual fue de 1,8 kW y se encontró que el consumo de energía es aproximadamente 5,35 veces menos que la potencia del secador híbrido con cubierta sencilla. El concepto es aplicable a cualquier tipo de secador solar, solar-asistido o cualquier invernadero para el sector agroindustrial.

PALABRAS CLAVE:
Aislamiento, secadores, cubiertas transparentes.

ABSTRACT

In a solar hybrid dryer (solar assisted gas or electricity) its main problem is to minimize its operational costs due to energy consumption. For this, was determined the optimum thickness of air confined in the plastic cover as thermal isolation, was calculated overall coefficient of heat transfer 'U', and was estimated the power of the external source which was of 1,8 kW and found that energy consumption is approximately 5,35 times less than the power of the hybrid dryer with single plastic deck. The concept is applicable to any type of solar dryer, solar-assisted or any greenhouse in agroindustrial area.

KEYWORDS:
Insulation, dryers, transparent covers.

RESUMO

0 principal problema con um secador solar híbrido (solar-gás assistido ou com electricidade) são os custos operacionais para o consumo de energia. Para este fim a pesquisa determinou a espessura ideal de ar confinado na tampa de plástico (duas carnadas) que atua como isolamento térmico, foi calculada a taxa global de transferencia de calor 'U' e estimada pela alimentação externa de 1,8 kW e descobriu que o consumo de energía é de cerca de 5,35 vezes menor do que a potência do secador revestido híbrido simples. 0 conceito é aplicável a qualquer tipo de secador solar, solar assistida ou qualquer tampa plástica no seitor agrícola.

PALAVRAS-CHAVE:
Isolamento, secadores, tampas transparentes.

INTRODUCCIÓN

La presente investigación se enfocó al análisis y estudio termodinámico del secador híbrido de guadua desarrollado y evaluado por Montoya J.A. y Orozco C.A. (2005) [1,2,3] del cual se obtuvo buenos resultados y una alta efectividad de secado en términos de Contenido de Humedad. Sin embargo fue posible mejorar la eficiencia de secado definida como energía aplicada por unidad de masa de madera [4].

En el proceso de secado de guadua o de madera, el aire cumple dos funciones principales, la primera de ellas es que sirve para transmitir la energía requerida para la evaporación del agua y la segunda es que sirve para transportar la humedad saliente de la madera. Experimentalmente se ha demostrado que para la mayoría de maderas esta velocidad debe ser menor o igual a 2m/s para no presentar problemas de pandeo en el secado. [4]

Para el análisis de la velocidad del fluido dentro de la cámara de secado se tuvieron en cuenta las características del ventilador de recirculación y el área transversal en los puntos críticos. El ventilador de recirculación es un ventilador axial de marca Siemens tipo 2CC2404-5DYD6, la presión y el flujo son datos proporcionados por el fabricante. (Ver Figura 1) [11 ].

Para calcular las pérdidas que se tienen a través de la cubierta se aplicó la diferencia de temperaturas para el caso más crítico, el cual ocurre cuando la temperatura en el interior es máxima y la temperatura en el exterior es mínima.

Se calcula el coeficiente global de transferencia de calor con base en datos suministrados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM) [12], en la localidad de Pereira. La temperatura media mínima anual es de 16°C y la velocidad promedio anual es de 1,6m/s. Por otro lado la temperatura máxima del aire en el interior en un programa normal de secado puede alcanzar 50°C y para el plástico 40°C. (Ver Tabla 1) [9].

Para lograr los objetivos propuestos en la investigación, se elaboró un modelo de termo transferencia [5,6,7,8], que permitió predecir y mejorar el funcionamiento del actual secador solar híbrido [1,10], y mantener su operación como híbrido (solar asistido gas o electricidad) las 24 horas del día. Este artículo analiza este fenómeno y lo modela estáticamente mediante el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor [5,6,7]. Además, se presenta un modelo de costos para estimar el espesor óptimo o económico de la cubierta transparente que actúa como aislamiento térmico, basado en conceptos establecidos por Orozco [8,9]. Se presenta además el cálculo de potencia de la fuente alterna y se espera reducir su capacidad de manera sustancial.

MÉTODO

El secador híbrido está compuesto por una cubierta de plástico tipo invernadero calibre 6 UV, un colector solar con superficie negra de 5,2 m² de área colectora, como se aprecia en la Figura 2; además el sistema consta de dos ventiladores de renovación, un ventilador de recirculación, un humidificador y una fuente de energía alterna que en el caso híbrido puede ser gas o resistencias de energía eléctrica.

El principal problema de los sistemas de secado híbridos es la pérdida de energía a través de la cubierta, esto se puede mejorar sustancialmente "si se inserta un espacio de aire confinado en el interior de la cubierta transparente", para esto se empleó un plástico burbuja usado para embalaje de diversos productos, el cual cuenta con medias burbujas de aire de 25mm de diámetro y 10mm de altura aprox., plástico que se consigue comercialmente.

En las figuras 3 y 4, se muestran el montaje del plástico de burbuja, su proceso de montaje y el estado final del montaje.

Para el cálculo de los coeficientes globales de las diferentes cubiertas, se presentan en la Tabla 2 los valores característicos del secador usado.

Cálculo del coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación solar

El coeficiente global se puede estimar como:

Donde la resistencia del aislamiento se puede calcular como x_ais/k_ais , teniendo en cuenta que por serie de Taylor:

Para este caso: x_ais/re = 0,05/2,58=0.0194 y la mitad del cuadrado es 0,0000188, lo que significa que el segundo término es despreciable. Por lo tanto se puede aproximar la anterior ecuación como si la superficie fuese plana, dado que el radio es muy grande respecto al espesor (no es el 2%).

h_i, h₀ : coeficientes combinados del convección y radiación en el interior y exterior de la cubierta
x_ais: espesor de la cubierta de material aislante
re: radio del cilindro del secador la cubierta
k: coeficiente de calor por conducción

Según McAdams [7], recomienda:

Donde:

V: velocidad del fluido en (m/s)
h₀: coeficiente combinado promedio de convección y radiación en (w/m²-°C)

Para calcular el coeficiente interno se estima mediante un balance de energía, para la cubierta sin aislar:

y la cubierta aislada:

Donde:

Se puede asumir el promedio de la velocidad dentro de la cámara de secado, como 1,6 m/s, acorde con los criterios anteriormente mencionados en la sección 2.0, la cual es necesaria para los cálculos del coeficiente combinado de convección y radiación en el interior.

RESULTADOS

Caso 1: Si se usa solo una cubierta plástica calibre 6 UV.

Con una cubierta de plástico transparente Agroclear 6 la cual tiene un espesor de 6 milésimas de pulgada, y asumiendo la conductividad térmica del plástico k_p=0,12 W/m-K, se presenta el siguiente cálculo, aplicando las ecuaciones (3,4,5).

Caso 2: Si se usa plástico a ambos lados con relleno de aire.

Para este fin se propone usar plástico burbuja con un espesor de 1cm.

x = 0,01 m, espesor promedio de la burbuja

La conductividad térmica es la del aire confinado en la cámara o burbuja de 1 pulgada de diámetro (25,4 mm.), es: a 20C k= 0,02514 W/m-K; a 30 C, k= 0,02588 W/m-K y a 40 C 0,02662 W/m-K. Se usará el valor promedio de40C. [1]

Despreciando la resistencia térmica del espesor del plástico doble, y aplicando las ecuaciones (4,6,3) se tiene:

y aplicando la ecuación (8):

Este cálculo muestra una reducción de las pérdidas de 9,64 kW a 1,80 kW, es decir en 81,3 % de la potencia inicial, ó 5,35 veces menos.

Para el cálculo de costos del espesor óptimo de aislamiento, se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos: los costos totales CT del secador se expresarán en función de los costos del sistema, C_sis; el del aislamiento, C_ais; y el de la energía, Ce. Los costos se expresarán en pesos valor presente. Se estimarán con base en el tiempo de duración del proyecto o de la cubierta plástico transparente, que se asumirá de 4 a 5 años. El aislamiento y la energía son funciones del espesor, luego [9],

Los costos del aislamiento se calculan así:

Donde:

A: área de la superficie aislada que es un cilindro de 2, 6 m de diámetro.
b: Costos del aislamiento, $2166/m²-in = $85275,60/ m³.
FVP (i,d,n): factor de valor presente, convierte un pago inicial, durante la vida del proyecto en valor presente. Por ejemplo el valor presente de los pagos de energía durante 5 años.

Para un pago de energía mensual de $100.000, durante 4 años con un valor i=1,5% y d = 0,7%; el FVP (i,d,n), aplicando la ecuación (11) será:

El valor presente neto de dicho pago será:

VPN= $100.000 * 57,75 =$5'775.339,50

Los costos de energía se estiman a partir de las perdidas en la cubierta que deben ser sustituidas por energía eléctrica o gas. Se calculan como las pérdidas de energía mensual y se colocan en valor presente usando el factor de valor presente mencionado:

Donde:

U: Coeficiente global de transferencia de calor.
A: área de la superficie aislada que es un cilindro de 2, 6 m de diámetro.
AT: Diferencia de temperatura °C.
H: horas mensuales operación de la fuente externa 18*365 = 243,3 h/mes
Cue: Costos unitario de la energía, $/kWh
η_s: Eficiencia del proceso de secado, 0,5 *0,7 = 0,35.

Los costos totales serán entonces:

Tomando la derivada de los costos totales igual a cero:

Despejando el espesor:

El espesor económico obtenido es:

El ejemplo de aplicación de la ecuación anterior para este caso específico con una temperatura externa nocturna de 16°C e interna de 45°C, el delta sería 29° C, el costo unitario de energía es de $200/kWh, y usando el FVP(0,015,;0,007,48)= 57,75, el costo del aislamiento de $85275,60/m³ del aislamiento y eficiencia del proceso del 50%, aplicando la ecuación (14) se obtiene:

El espesor instalado es de 10 mm aproximadamente. Es función del tiempo del proyecto y se asume que esa es la duración del plástico, es decir, en este caso 48 meses.

La curva anterior fue obtenida con la licencia académica del EES [13], cuyo código es el siguiente:

Este cálculo se hace tomando los resultados de los cálculos anteriores, lo que demuestra la potencia que deberían tener las fuentes asistidas por gas o por electricidad. Con base en las pérdidas que se tienen a través de la cubierta de plástico con burbujas y se hallan las curvas características para ambos secadores:

Se deberá tener en cuenta que la temperatura máxima para un programa de secado de guadua esta alrededor de 45°C.

El secador se encuentra aislado térmicamente en el suelo con una capa de poliuretano en la parte inferior y tiene piedras para acumular energía durante el día y liberarla posteriormente en la noche cuando la necesita, además se encuentra cargado con 180kg de guadua con un contenido de humedad inicial del 90%. También se asumió el caso más crítico para un día con una temperatura media anual mínima según el IDEAM para esta zona de 16°C.

El espesor calculado e instalado de la cubierta transparente es de 10 mm aproximadamente, obtenido mediante el proceso de optimización. Este es función del tiempo del proyecto y se asume para este caso 48 meses.

La fuente asistida permite compensar las pérdidas de calor a través de la cubierta. El cálculo de la fuente asistida muestra una reducción de las pérdidas de 9,64 kW a 1,80 kW, es decir en 81,3 % de la potencia inicial, ó 5,35 veces menos.

CONCLUSIONES

La capacidad térmica de la fuente asistida no amerita el uso de quemadores de combustibles fósiles, para esto se propone el uso de resistencia eléctrica de baja potencia y que no presenta ningún nivel de ruido.

Este artículo analizó el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor por convección y radiación, se desarrolló un modelo para estimar el espesor óptimo o económico de la cubierta transparente que actúa como aislamiento térmico de un secador solar híbrido, mejorando el desempeño del sistema desarrollado por Montoya y Orozco [1,2,3].

El secador solar híbrido con el desarrollo presentado, redujo la potencia de la fuente alterna de manera sustancial, 5,35 veces, de 9,64 kW a solo 1,80 kW térmicos.

El desarrollo de un sistema con doble foil o doble plástico con burbuja al interior, representará un impacto económico en general el sector agroindustrial.

El secado solar híbrido, es una muy buena alternativa energética de secado y deshidratación de productos agrícolas, a bajos costos de operación.

Los secadores híbridos o invernaderos controlados automáticamente, es decir con control de la temperatura y la humedad relativa, serán un aporte importante al tema de adaptación al cambio climático.

Los invernaderos controlados o secadores híbridos controlados empleando doble foil, contribuirán a mejorar el tiempo de las cosechas de los productos agrícolas más vulnerables y que son afectados por el cambio climático.

REFERENCIAS

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[3]. MONTOYA, Jorge A. Y OROZCO H., Carlos Alberto, Secado Solar y Convencional de la Guadua angustifolia. Scientia et Technica Año XI, No 27, Abril 2005.        [ Links ]

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[9] OROZCO, Carlos Alberto. Optimización del diseño de aislamientos térmicos para superficies calientes: TUBERÍAS. Scientia et Technica Año II, No 37, Abril 1996, Universidad Tecnológica de Pereira.        [ Links ]

[10] OROZCO, Carlos Alberto. Elementos de Ingeniería Solar. Pereira, Colombia: 1a Edición, Universidad Tecnológica de Pereira, 269 pp, 1993.        [ Links ]

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