Cálculo y Construcción de un Secador Solar por Convección Natural
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 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 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.
DEFINICIONES PREVIAS Proceso de secado: La Humedad. Humedad Superficial e Interna de un material. Métodos para hallar la humedad: –Método Directo. –Método Indirecto.
• Humedad en base húmeda.
M wb
Ww Wo Wd Wo Wo
• Humedad en base seca.
M db
Ww Wo Wd Wd Wd
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.)
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 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 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 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 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.
Partes de un secador solar indirecto 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. Es un ducto aislado que permite la evacuación del flujo de aire húmedo de la cámara de secado hacia el ambiente.
Chimenea Cámara
Colector
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO PRIMERA ETAPA: Diseño del colector solar 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).
Análisis del circuito térmico de un colector solar de placa plana Sol
Radiación Incidente Reflexión Absorción
Ta R1
Cubierta (vidrio)
R2
Placa colectora (Piedras)
R3 R4
Aislamiento (Tecnopor)
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)
Ul U t U b Ue 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.
Ut
1 R1 R 2
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
Ub Ue
1 R3
Ka Ub l
Ka = Es la conductividad térmica del aislante l = Espesor del aislante en el fondo l’ = Espesor del aislante a los lados P = Perímetro del colector M = Altura del colector
K a MP Ue ' l Ac
Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana Ecuación de Balance Energético en colectores de placa plana
Q abs
du Q util Q perd dt
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.
du 0 dt
Qabs HAc ( )
H (W/m2) = Energía solar incidente. Ac (m2) = Área efectiva del colector. τ = Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector α = Absortancia de la placa absorbente del colector
n
. . 1 n0
. 1 (1 )
ρ : Es la refractancia difusa, toma diferentes valores según el número de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta ρ = 0.16
Qutil
dT mCp dt
m (kg): Masa de aire Cp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluido dT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempo
Q perd U l Ac (Tp Ta ) Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por radiación, convección y conducción Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de absorción Ta: 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.
Qutil Qabs Q perd
du dt
Reemplazando:
Q A S - U T T util c l p a
Balance energético h1 Cubierta (vidrio)
Aire frío Fluido
hr
S
Placa colectora (Piedras) Aislamiento (Tecnopor)
h2 Cubierta:
U t (Ta Tc ) hr (T p Tc ) h1 (T f Tc ) 0 (-)
Placa:
(+)
S U b (Ta Tp ) hr (Tc Tp ) h2 (T f Tp ) 0 (+)
Fluido:
(+)
(-)
(-)
(-)
h1 (Tc T f ) h2 (T p T f ) qu (-)
(+)
Aire Caliente
(T p T f )
S (U t hr h1 ) (T f Ta )(U t hr U tU b U b hr U b h1 )
(Tc T f )
(U t hr h1 )(U b h2 hr ) h
2 2
Despejado de la ecuación de cubierta
Shr (T f Ta )(U t h2 U tU b U t hr U b hr )
Despejado de la ecuación de Placa
(U t hr h1 )(U b h2 hr ) hr2
Remplazando en la ecuación de fluido
Comparando F11
Ul
qu F 1 (S U l (T f Ta ))
h1hr U t h2 h2 hr h1h2 ) (U t hr h1 )(U b h2 hr ) hr2
(U b U t )(h1hr h2 hr h1h2 ) (U bU t (h1 h2 )) (h1hr U t h2 h2 hr h1h2 )
Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por convección, utilizados en colectores solares planos.
Ut (
N C T pm Ta e ( ) T pm N f
1 ) 1 hw
2 (T pm Ta )(T pm Ta2 )
( 2 0.000591 N hw ) 1
2 N f 1 0.133 1
1
N
f (1 0.089hw 0.1166hw 2 )(1 0.07866 N ) 2 C 520(1 0.000051 rad )
e 0.430(1
100 ) T pm
N: Numero de cubiertas del colector f, C, e: Constantes dependientes.
SEGUNDA ETAPA: Planteamiento de las dimensiones de la 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 ETAPA: Diseño 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 ETAPA: Construcción del secador.
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.
Detalle de la unión colector y cámara
Detalle 3D del colector solar
Detalle del ensamble
Detalle del colector
Detalles en fotografias de la construcción del secador.
Detalle interno de la chimenea
Recubrimiento interno del colector
sdaasddas
Barnizado del colector solar
Recubrimiento interno de la cámara
QUINTA ETAPA: 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 experimentales
Anemómetro
Brújula
Higrómetro digital
Termómetros
Balanza de 0.1g
Termómetro digital
Detalles en fotografías de los ensayos experimentales
Termómetro en Chimenea y Cámara
Toma de Datos
Vista posterior del colector
Termómetro en la salida del colector
Características de las plantas medicinales no tradicionales que fueron secadas en el secador solar Plantas Medicinales
Coloración
Verde Claro
Verde Oscuro
Verde Claro
Verde Oscuro
Características • Crocante • Mantiene olor característico
• Sensibilidad al tacto • Crocante • Mantiene olor característico
Resistencia a elevadas temperaturas • Sensibilidad al tacto • Crocante • Mantiene olor característico
Protocolo de ensayos experimentales PRODUCTO: Eucalipto Ingreso
Colector Solar
C. S.
Higrómetro
Chimenea
Radiación
Masa de plantas
Tiempo (min)
Humedad (%)
T. de E. (ºC)
T. De S. (ºC)
T de B. (ºC)
Humedad (%)
Presión (mBar)
T. De S. (ºC)
(W/m2)
(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 experimentales PRODUCTO: Muña Colector Solar
Ingreso
Tiempo (min)
Humedad (%)
T. de E. (ºC)
C. S.
T. De S. (ºC)
T de B. (ºC)
Higrómetro
Humedad (%)
Presión (mBar)
Chimenea
Radiación
T. De S. (ºC)
(W/m2)
Masa de plantas
(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 experimentales PRODUCTO: Hierba Santa Ingreso Tiempo (min)
Colector Solar Humedad (%)
T. de E. (ºC)
C. S. T. De S. (ºC)
T de B. (ºC)
Higrómetro Humedad (%)
Presión (mBar)
Chimenea
Radiación
T. De S. (ºC)
(W/m2)
Masa de plantas (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 experimentales PRODUCTO: Toronjil
Colector Solar
Ingreso Tiempo (min)
Humedad (%)
T. de E. (ºC)
C. S. T. De S. (ºC)
T de B. (ºC)
Higrómetro Humedad (%)
Presión (mBar)
Chimenea
Radiación
T. De S. (ºC)
(W/m2)
Masa de plantas (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
ANALISIS DE RESULTADOS 1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales 100
y
Gráfica Humedad Contenida vs Tiempo
90 80 70
lEucalipto ___________ Muña ___________ Hierba Santa ___________ Toronjil ___________
60 50 40 Porcentaje de Humedad (%) 30
20 10
x 20 -10
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Tiempo (min) T oronjil
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. f(x)=81.476115*0.99229213^x; R²=0.9937 Hierba Sant a
f(x)=78.834802*0.9968247^x; R²=0.9957 Muña
f(x)=75.918379*0.99325744^x; R²=0.9798 Eucalipt o
f(x)=59.09509*0.99272532^x; R²=0.9221
2. Velocidad de secado Velocidad (dM/dt)
0.006 0.005 0.004
Eucalipto Muña Hierba Santa Torojil
0.003 0.002 0.001 0 40
80
120
160
200
Tiempo (min)
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.
3. eficiencia térmica de secado Eficiencia (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Eucalipto
Muña
Hierba Santa
Toronjil
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
Influencia del Flujo másico de 4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del en la eficiencia del colector colectoraire solar 100
y
80
60
Eficiencia (%) 40 Experimental Eucalipto ___________ Muña ___________ Hierba Santa ___________ Toronjil ___________
20
x
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Flujo másico (kg/s)
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. Eucalipt o Muña
f(x)=65.071984*ln(x)+278.26888; R²=0.7425 f(x)=60.10036*ln(x)+272.857; R²=0.891 Hierba Sant a
5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector y
Eficiencia térmica del Colector
70 65 60 55
Eficiencia (%) 50 45 40
Experim ental
Sim ulada
Eucalipto
___________
-------------
Muña
___________
-------------
35 x 20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Tiempo(min)
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 colector y
Eficiencia térmica del Colector
70 65 60 55
Eficiencia (%) 50 45 40
Hierba Santa T oromjil
Experimental ___________ ___________
Simulada -------------------------
35 x 20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Tiempo(min)
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.
Análisis 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 colector
Análisis de la Eficiencia Térmica del colector
COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 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 hc(W/m2ºC)
Eucalipto
Hierba Santa
Muña
Toronjil
Convección Natural
0,55
1,41
1.00
1,89
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.
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.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos
Ingeniería Mecánica de Fluidos 1er nivel Universidad nacional Mayor de San marcos Teléf.: 6197000 anexo 3819 Pag. Web : www.cedit-termofluidos.com Correo:
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Propiedades Físicas del aire húmedo Las propiedades del aire húmedo dependen exclusivamente de la temperatura:
•Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)
Ce 999.2 0.1434 Tm 1.101 10 4 Tm2 6.7581 10 8 Tm3 •Cálculo de la densidad ρ (kg / m3)
353.44 Tm 273.15
•Cálculo de la viscosidad dinámica (N.s/m2)
1.718 10 5 4.62 10 8 Tm •Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)
K v 0.0244 0.7673 10 4 Tm •Cálculo del coeficiente de expansión térmica β1(K-1)
1
1 Tm 273.15
Análisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secado Determinación de coeficientes convectivos en circulación natural
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.
hc X Nu Kv
Pr
Ce Kv
g 1 2 X 3 T g 1 X 3 T Gr 2 2
X
ab ab
Nu: número de Nusselt. hc: Coeficiente de transferência de calor Kv: Conductividad térmica del aire húmedo X: Dimensión característica de la superficie de exposición Pr: 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 bandeja b: Ancho de la bandeja
Cálculo del calor latente de vaporización Lv (J/kg) 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
Lv
R ( p s1 p s 2 (T 273.16)) M
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
Nu C (Gr Pr) C = Constante n = Constante
n
despejamos el coeficiente de transferencia de calor
hc
K v C X
( Gr . Pr)
Re
n
v0 X v0 X
v0 = velocidad del aire superficial (m/s) La potencia térmica es la empleada en evaporar la humedad del producto
Q e 0.016 h c ( P (T p ) P (Tsp )) Qe: Potencia térmica (J/sm2) P(Tp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura del producto P(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) 5144 PT exp 25.317 T 273.15
Qe 0.016
Kv C n Gr Pr PT p PTsp X
Cálculo de la humedad evaporada del producto mev mev Qe
At t K C n 0.016 v Gr Pr PTp PTsp At t Lv X Lv
Lv: Calor latente de vaporización Definiendo un parámetro auxiliar Z
At: Área de la bandeja (m2) t: tiempo (s)
Kv Z 0.016 PT p PTsp At t X Lv Tomando logaritmo natural n
N X 0Y X 0 Y N X 02 ( X 0 ) 2
ln(
mev C (Gr Pr) n Z
Luego
mev ) ln( C ) n ln( Gr Pr) C0 n X 0 Y Z C0
X Y X X N X ( X ) 2 0
0
2 0
2
0
Y
C exp( C 0 )
0
N: numero de observaciones más el número de variables independientes Es posible calcular C y n mediante las expresiones anteriormente mostradas conociendo el área de exposición (At), la dimensión característica de la superficie de exposición de 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.