Secador solar
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Secador Solar
La ciencia y la técnica ha jugado un papel determinante en la reducción de los recursos energéticos en los últimos 20 años y el incremento de la contaminación ambiental ha incentivado la creación de diseños más eficientes en el campo de las energías renovables.
Aunque la práctica del secado con energía solar es muy antigua, los primeros trabajos, fundamentalmente de carácter práctico, se reportan desde 1940. El desarrollo teórico y experimental del tema se observa a partir de 1960, donde, además, se aprecia el avance en el diseño de los secadores solares. Para diseñar secadores solares se han empleado métodos analíticos y numéricos, que utilizan metodologías complejas y extensas que deben ser utilizadas por personal de alta calificación. La simplicidad de los métodos gráficos le proporciona dinamismo y carácter práctico, aún en la era de la computación y de la electrónica.
Sumario
La aplicación de los secadores.
La aplicación de los secadores solares ha adquirido una gran importancia en el tratamiento de productos para acelerar la germinación, en la termoterapia de diferentes cultivos, para eliminar las plagas y los virus, así como para la deshidratación de los excedentes de las cosechas y la obtención de productos de primera necesidad, a bajo costo, como son los medicamentos a partir de las plantas medicinales secas.
Aunque se ha desarrollado cierta variedad de secadores solares, desde el punto de vista constructivo estos equipos tienen similitud, ya que todos cuentan con una cámara de secado con un adecuado aislamiento y una superficie captadora de la energía de la radiación solar.
El diseño de estos equipos se ha encaminado a dar soluciones geométricas de la superficie absorbedora que incrementen el rendimiento de la captación solar, conjuntamente con el empleo de materiales de mejores propiedades ópticas. Esto ha conllevado a que las diferencias de estos equipos se encuentran fundamentalmente en la configuración del plato absorbedor.
En dependencia del diseño, del tipo y composición del material de la cubierta, será la temperatura de la misma y, en consecuencia, la transferencia de calor por radiación determinará el valor de las pérdidas energéticas y al final el rendimiento del absorbedor. Aunque el mecanismo de la transferencia de calor radiante predomina, debe considerarse, además, la convección en el valor de las pérdidas de energía.
Para diseñar secadores.
Para diseñar secadores solares se usan métodos que se soportan fundamentalmente en dos elementos, que son los balances de energía y el uso de modelos del comportamiento térmico del sistema. Los algoritmos basados en el comportamiento térmico del sistema son los más empleados por su facilidad y probada eficacia, y los datos se obtienen de evaluaciones de prototipos o mediante el análisis del comportamiento del secador, empleando un modelo matemático y un programa de computación.
El diseño que utiliza la modelación matemática se ha empleado fundamentalmente en colectores solares y no en secadores. La eficacia de este procedimiento radica en las hipótesis de simplificación del modelo, y estos se presentan en forma de ecuaciones diferenciales cuya solución utiliza métodos numéricos y programas de computación con elevado grado de complejidad.
Diferentes ramas de la ciencia emplean los métodos gráficos para el diseño. Un nomograma se considera cualquier representación gráfica en uno o dos planos en el que se pueden leer conjuntamente con los datos los valores de las soluciones. Algunos de estos nomogramas tienen carácter empírico y son obtenidos a partir de valores medidos de muestras significativas, y otros se obtienen matemáticamente definiendo las funciones empleadas en las metodologías de diseño.
Diseñar utilizando nomogramas, pese a la limitación de determinar solo los parámetros fundamentales, como son el área del plato absorbedor, el volumen del secador y el flujo de aire necesario para secar el material, reporta ventajas por su facilidad de uso, rapidez y precisión del cálculo. En este trabajo se presenta un método gráfico para diseñar secadores solares. Las instalaciones diseñadas utilizando este método trabajan satisfactoriamente.
Principio de funcionamiento.
Como en cualquier secador convencional, los secadores solares basan su operación en tres procesos que se superponen. El calentamiento de aire en el secador solar se realiza mediante la circulación del aire a través de una cámara de calentamiento formada por una cubierta de policarbonato celular transparente y una superficie captadora hecha de chapas de acero ennegrecidas, que en conjunto forman un cuerpo o cámara de absorción de la radiación solar que entra por la cubierta, con intenso efecto de invernadero. Al inicio del proceso una masa de aire con humedad relativa ambiental se hace entrar a una cámara de secado con paredes térmicamente aisladas, y su humedad relativa disminuye rápidamente al hacerse circular a través de la cámara superior de calentamiento. El secado del material (colocado en bandejas o capas en carros portadores a lo largo de la cámara de secado, ubicada debajo y a lo largo de la cámara de calentamiento) se realiza por el paso continuo del aire caliente a través del material, que produce un intenso proceso de intercambio de calor y masa, durante el cual la humedad superficial del material se incorpora al aire por evaporación, en la medida en que el aire transfiere su calor. La sucesiva recirculación a una velocidad definida, impulsado por un ventilador centrífugo y un sistema de conductos de distribución, a través de las capas del producto que se debe secar, hará que a medida que la humedad relativa del producto disminuya, la del aire aumente, llegando a un punto en el que será necesario renovar este aire para restablecer el gradiente de humedad entre ambas masas y asegurar la continuidad del proceso.
La renovación se asegura mediante un dispositivo de control de la humedad del aire que acciona el arranque o parada de dos ventiladores centrífugos (uno de extracción y otro de inyección), los que fuerzan a cierta masa de aire exterior a través de un intercambiador de calor del tipo de placas, que en un tiempo corto renueva el aire húmedo y relativamente caliente del interior de la cámara por aire «fresco» y húmedo exterior, ahora precalentado, para nuevamente establecer el proceso que en la práctica es ininterrumpido.
La difusión continua de la humedad interior del material hacia la superficie por capilaridad asegura que al final de un ciclo completo la humedad relativa de toda la masa de material habrá disminuido de modo homogéneo hasta los valores aceptables para su empleo comercial. El secado quedará completado cuando el producto alcance la baja humedad preestablecida según las exigencias comerciales o de uso (humedad de equilibrio), y que se controla por medios directos (dispositivo de medición de humedad insertado en la masa) o indirectos (muestras testigos de material y métodos de laboratorio apropiados).
Secadores solares en Cuba
El secado de productos empleando la radiación solar tiene importantes antecedentes en Cuba, y entre ellos se destacan los exitosos trabajos experimentales del Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES), de Santiago de Cuba, entre 1984 y 1993, seguidos por el Grupo Solar del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), en La Habana, y más recientemente por el Grupo de Energía Solar de CUBAENERGÍA.
A partir de estas experiencias se han desarrollado varias decenas de secadores solares de distintas capacidades y características, correspondiendo con las aplicaciones a las que se han destinado, como el secado de maderas, plantas medicinales y semillas, entre otras. Sin embargo, su desarrollo comercial ha estado lastrado por varios factores, entre los que se destacan la escasa difusión de los resultados y el limitado conocimiento por los posibles usuarios de las ventajas del secado solar; la tendencia a subestimar los resultados de las investigaciones nacionales; la preferencia de los productores por el proceso convencional «rápido» de secado mediante combustión de diésel u otros combustibles, y la errónea concepción de que los secadores convencionales altamente automatizados son más eficientes y efectivos que el secador solar. Mientras tanto, SecSol, la familia de secadores solares multipropósitos, es ya una realidad. La empresa comercial EcoSol Solar, de la Corporación COPEXTEL, y CUBAENERGÍA, del CITMA, han unido sus esfuerzos para desarrollar un producto comercial con alto rendimiento productivo, sin ningún consumo directo de combustible y bajo consumo de electricidad, que garantiza un secado uniforme de una amplia gama de productos a lo largo de un ciclo de secado continuo, y con un precio muy atractivo. CUBAENERGÍA ha aportado la tecnología de secado solar desarrollada y probada durante veinte años de investigaciones y demostraciones, en tanto EcoSol Solar ha puesto a disposición del desarrollo de este producto su ingeniería y su estructura de comercialización y servicios técnicos.
Ventajas de los secadores solares
Ventajas del secado artificial o deshidratación (en general)
–La calidad del producto deshidratado es generalmente superior cuando se selecciona una buena tecnología del proceso. –La velocidad de secado suele ser mucho mayor y disminuye considerablemente el tiempo de secado, lo que influye tanto en la calidad como en el costo del producto. –Las condiciones sanitarias y nutritivas (en caso de alimentos) son mejores porque el producto no está expuesto a la acción directa del sol, la lluvia, el polvo y los insectos. –El área utilizada en la deshidratación es varias veces menor que la empleada en el secado natural. –Las operaciones de deshidratación son más sencillas y pueden automatizarse. Desventajas del secado artificial convencional (usando combustibles fósiles y residuales) –Alto costo de instalación, tanto por la cámara de secado como por la caldera, hornos, plantas de tratamiento de residuales o calentadores de aire. –Alto costo de producción, en caso de que consuma petróleo o electricidad para el calentamiento del aire y el producto.
Conclusiones
Son muchas las ventajas que ofrece el empleo los secadores solares. Es importante enfatizar que dicho método Se brinda como una herramienta más que permita generalizar el uso de las fuentes renovables, el Sol.
Para este fin se presenta un nomograma, que determina solo los parámetros fundamentales, como el área del plato absorbedor, el volumen del secador y el flujo de aire necesario para secar el material, reporta ventajas por su facilidad de uso y rapidez del cálculo.
