proyecto de grado mejora del flujo de aire dentro …
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PROYECTO DE GRADO
MEJORA DEL FLUJO DE AIRE DENTRO DE UN SECADOR SOLAR TIPO
HOHENHEIM PARA AUMENTAR LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
Harry Yasir Otálora Ortega
Correo: [email protected]
Código: 201018324
Proyecto de grado para optar al título de Pregrado en Ingeniería Mecánica
Asesor:
Dr. Sc. M. Sc. Gregorio Orlando Porras Rey
Profesor Asociado
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
JUNIO 2014
i
Dedico este trabajo a mis padres,
Ellos han sido los cómplices principales en esta aventura,
y son los que de verdad merecen los honores por este peldaño.
ii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco profundamente al profesor Orlando Porras por ser un guía en este
proyecto, por sus correcciones, ya que sin éstas el proyecto con muchísima
dificultad hubiese alcanzado estos resultados. A Omar Amaya y Juan David
Hernández técnicos de la universidad, por su colaboración incondicional en
este proyecto y brindarme su amistad a lo largo de mi pregrado.
Agradezco a mis padres por su constante motivación porque siempre fueron
los cerillos para encender la antorcha cuando el camino tendía a oscurecerse.
Agradezco profundamente a mis amigos quienes se pusieron como meta
alegrar los días en la universidad mientras aprendíamos los conceptos de la
ingeniería.Francisco, Santiago y Mariana, gracias por escucharme y
empujarme cuando se perdía el norte.
Finalmente a mi novia que me ha ayudado a clarificar las cosas en la vida y que
me apoyó en esta y mil facetas de este camino.
Muchísimas gracias de corazón.
iii
Tabla de contenido Índice de ilustraciones ......................................................................................................................... v
Índice de tablas .................................................................................................................................. vii
1 Introducción ................................................................................................................................ 1
2 Marco Teórico ............................................................................................................................. 7
2.1 Principios del secado ........................................................................................................... 7
2.1.1 Presión parcial ............................................................................................................. 7
2.1.2 Contenido de humedad ............................................................................................... 8
2.1.3 Psicrometría ................................................................................................................ 8
2.2 Curvas de secado ............................................................................................................... 10
3 Pruebas experimentales de los ventiladores ............................................................................ 12
4 Cálculos del sistema de reducción de diámetro hidráulico ...................................................... 15
5 Diseño de detalle y manufactura .............................................................................................. 21
5.1 Diseño de detalle del difusor ............................................................................................ 21
5.2 Manufactura del difusor.................................................................................................... 23
5.3 Manufactura del Forro ...................................................................................................... 26
5.3.1 Manufactura de Deflectores Aerodinámicos ............................................................ 27
5.4 Montaje final del difusor ................................................................................................... 29
5.5 Manufactura de la reducción del diámetro hidráulico ..................................................... 31
6 Plan experimental .................................................................................................................... 34
6.1 Objetivos experimentales ................................................................................................. 34
6.2 Experimento caracterización de secado ........................................................................... 34
6.2.1 Características experimentales ................................................................................. 35
6.2.2 Tratamientos ............................................................................................................. 36
6.2.3 Montaje físico. ........................................................................................................... 36
6.2.4 Estructura del experimento ...................................................................................... 37
6.2.5 Procedimiento experimental..................................................................................... 38
6.2.6 Procesamiento de datos ............................................................................................ 39
7 Análisis de resultados ................................................................................................................ 40
7.1 Perfil de velocidad ............................................................................................................. 40
7.2 Cinética de secado ............................................................................................................. 41
7.3 Radiación Solar .................................................................................................................. 43
7.4 Temperatura...................................................................................................................... 44
iv
7.5 Humedad relativa del aire ................................................................................................. 46
7.6 Comparación directa de desempeño ................................................................................ 48
7.7 Estudio estadístico de la magnitud y dirección del viento ................................................ 50
7.8 Experimento 2: Modificación de las chimeneas ............................................................... 51
7.8.1 Diseño y manufactura ............................................................................................... 52
7.8.2 Velocidad dentro del flujo ......................................................................................... 53
7.8.3 Resultados experimentales y análisis de resultados ................................................. 54
8 Conclusiones.............................................................................................................................. 58
9 Recomendaciones ..................................................................................................................... 60
10 Bibliografía ............................................................................................................................ 61
11 Anexos ................................................................................................................................... 63
Anexo A: Análisis de varianza para dos factores (ANOVA 2 WAY) ................................................ 63
ANEXO B Planimetría .................................................................................................................... 66
v
Índice de ilustraciones Ilustración 1. Estratificación temperatura tomado de Gómez (4). ..................................................... 2
Ilustración 2. Fotografía del diseño de ventilación por Juan Sebastián Porras. Tomado de (2). ........ 3
Ilustración 3. Placa colectora vista superior donde se observa la concentración del flujo en el
diseño de Juan Sebastián Porras. ........................................................................................................ 3
Ilustración 4.Cinética de secado de un secador solar tipo Hohenheim Izquierda: Secado por
convección forzada. Derecha: Secado por convección natural. Tomado de (2). ................................ 4
Ilustración 5. Conexión en serie de los ventiladores en el proyecto de Porras. Tomado de (2) ......... 5
Ilustración 6. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna de secador de
convección forzada. Tomado de (2). .................................................................................................. 5
Ilustración 7. Diagrama psicrométrico (10). ...................................................................................... 10
Ilustración 8. Cinética de secado (9). ................................................................................................ 11
Ilustración 9. Velocidad de secado. (9) ............................................................................................. 11
Ilustración 10. Características eléctricas de los ventiladores JUILONG (11) ..................................... 13
Ilustración 11. Curva característica de los ventiladores JUILONG (11) ............................................. 13
Ilustración 12. Caracterización eléctrica prolongada de los ventiladores JUILONG ......................... 13
Ilustración 13. Caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores JUILONG ............... 14
Ilustración 14. Esquema de deflector aerodinámico ........................................................................ 16
Ilustración 15. Esquema de reducción constante del diámetro ....................................................... 16
Ilustración 16. Curva de operación del sistema con deflectores aerodinámicos ............................. 19
Ilustración 17. Curva de operación del sistema con reducción constante. ...................................... 20
Ilustración 18. Esquema del comportamiento del aire dentro de la cámara de colección sin la
aplicación de difusor ......................................................................................................................... 21
Ilustración 19. Ilustración esquemática del control del flujo sobre la placa colectora. .................... 22
Ilustración 20. Vista isométrica del montaje del difusor. ................................................................. 22
Ilustración 21. Explosión del montaje del difusor ............................................................................. 23
Ilustración 22. Conformado de piezas por deformación plástica en Dobladora CNC. ...................... 24
Ilustración 23. Verificación de medidas y preparación para la soldadura. ....................................... 24
Ilustración 24. Sujeción temporal para la ubicación de remaches permanentes ............................. 25
Ilustración 25. Estructura del difusor envuelta en caucho espumoso. ............................................. 25
Ilustración 26. Manufactura y soldadura de los forros. .................................................................... 26
Ilustración 27. Detalle de la soldadura de plásticos .......................................................................... 26
Ilustración 28. Falla en el inicio de la soldadura. .............................................................................. 27
Ilustración 29. Manufactura de los deflectores aerodinámicos. ...................................................... 27
Ilustración 30. Montaje de prueba para la verificación del campo de velocidades del difusor. ..... 28
Ilustración 31. Corrección del soporte de los deflectores aerodinámicos y sujeción por abrazaderas
plásticas. ............................................................................................................................................ 29
Ilustración 32. a) Montaje de deflectores en CARTONPLAST. b) Montaje preliminar del difusor en el
secador. ............................................................................................................................................. 29
Ilustración 33. Montaje final de los difusores en los dos secadores. ................................................ 30
Ilustración 34. Detalle de sujeción del forro al montaje final. .......................................................... 30
Ilustración 35. Marco de reducción de diámetro .............................................................................. 31
Ilustración 36. Ensamble del marco y unión adhesiva ...................................................................... 31
Ilustración 37. Sujeción del plástico al marco de madera ................................................................. 32
vi
Ilustración 38. Detalle de sujeción del plástico al marco de madera................................................ 32
Ilustración 39. Paneles de reducción instalados dentro del secador. ............................................... 33
Ilustración 40. Boceto conceptual del montaje experimental en el secador solar. .......................... 34
Ilustración 41. Diagrama de bloques del montaje ............................................................................ 38
Ilustración 42. Perfil de velocidad a la salida del difusor .................................................................. 40
Ilustración 43. Cinética del secado experiencia 1. ............................................................................ 41
Ilustración 44. Cinética del secado experiencia 2. ............................................................................ 41
Ilustración 45. Cinética del secado experiencia 3. ............................................................................ 42
Ilustración 46. Radiación solar total horizontal experiencia 1. ......................................................... 43
Ilustración 47. Radiación solar total horizontal experiencia 2. ......................................................... 44
Ilustración 48. Radiación solar total horizontal experiencia 3. ......................................................... 44
Ilustración 49. Temperatura del aire experiencia 1. ......................................................................... 45
Ilustración 50. Temperatura del aire experiencia 2. ......................................................................... 45
Ilustración 51. Temperatura del aire experiencia 3. ......................................................................... 46
Ilustración 52. Humedad relativa del aire experiencia 1. ................................................................. 47
Ilustración 53. Humedad relativa del aire experiencia 2. ................................................................. 47
Ilustración 54. Humedad relativa del aire experiencia 3. ................................................................. 48
Ilustración 55. Comparación directa de los procesos de secado a la entrada. ................................. 49
Ilustración 56. Comparación directa de los procesos de secado a la salida. .................................... 49
Ilustración 57. Esquema de la disposición de los secadores y la dirección promedio del viento. .... 51
Ilustración 58. Izquierda: Situación esquemática actual de la chimenea. Derecha: Situación
esquemática modificada de la chimenea. ......................................................................................... 52
Ilustración 59. Chimeneas en estado previo a la modificación. ........................................................ 53
Ilustración 60. Montaje de las modificaciones a las chimeneas. ...................................................... 53
Ilustración 61. Radiación Solar experiencia 4. .................................................................................. 54
Ilustración 62. Temperatura experiencia 4 ....................................................................................... 55
Ilustración 63. Humedad relativa experiencia 4. .............................................................................. 55
Ilustración 64. Cinética de secado experiencia 4. ............................................................................. 56
Ilustración 65. Comparación directa entre los procesos. .................................................................. 57
Ilustración 66. Comparación directa entre los procesos. .................................................................. 57
vii
Índice de tablas Tabla 1. Tabla comparativa de propiedades de operación de las propuestas de control de flujo ... 15
Tabla 2. Parámetros geométricos del deflector aerodinámico ......................................................... 17
Tabla 3. Lista de materiales Usados .................................................................................................. 23
Tabla 4. Relación de las variables medidas en el experimento de secado. ...................................... 35
Tabla 5. Tabla de características del experimento ............................................................................ 36
Tabla 6. Selección de instrumentos de medición.............................................................................. 37
Tabla 7. Velocidad media salida de cámara de secado. .................................................................... 53
Tabla 8. Datos ANOVA Magnitud del viento entrada ....................................................................... 63
Tabla 9. Cuadro ANOVA Entrada Vs Magnitud velocidad ................................................................. 63
Tabla 10. Datos ANOVA Magnitud de viento salida .......................................................................... 64
Tabla 11. Cuadro ANOVA Salida Vs Magnitud velocidad .................................................................. 64
Tabla 12. Datos ANOVA Dirección del viento entrada ...................................................................... 64
Tabla 13. Cuadro ANOVA Entrada Vs Dirección del viento ............................................................... 65
Tabla 14. Datos ANOVA Dirección del viento salida ......................................................................... 65
Tabla 15. . Cuadro ANOVA Salida Vs Dirección del viento ................................................................ 65
1
1 Introducción Es innegable que la economía de Colombia tiene un componente agrícola importante, aunque
actualmente se está impulsando otras economías emergentes, como las economías de extracción
de recursos mineros, es imperativo dar una mirada al campo, y de cierta manera volver a las raíces,
pero no de manera nostálgica sino como un reto de potenciar esta forma de subsistir y que, entre
otras cosas, es la actividad que permite llevar comida a nuestros hogares.
Esto plantea un reto para los ingenieros de manera tal que se busquen métodos de optimizar los recursos naturales en pro de obtener procesos agroindustriales más competitivos tanto en mercados locales como internacionales. En este orden de ideas se plantea el mejoramiento del proceso de secado solar. El secado, como procesamiento post-cosecha, provee varias ventajas como: más largo tiempo de conservación de los productos, oportunidad de comercializar los productos cuando los precios del mercado son más favorables a los cultivadores, ahorro en costos de transporte pues los productos secos pesan menos que los frescos, aprovechamiento de parte de la producción en fresco que se pierde por pequeños defectos que el consumidor no quiere y que en muchos casos no se distingue en el producto seco, la seguridad alimentaria del mismo grupo de productores agrícolas, la apertura de nuevos mercados dadas la naturaleza diferente de los productos secos, etc.
La energía solar para el proceso de secado permite: mayor ingreso económico al productor agrícola
debido al valor agregado que él mismo da a su producto, reducción del impacto ambiental negativo
dada la naturaleza renovable de la fuente de energía que permitiría tener sellos ecológicos, el menor
costo y mayor disponibilidad de la energía de la energía que permite a cualquier persona realizar
estos procesos con bajas inversiones de capital, un aumento de la productividad de la tierra por
cuanto se aprovecha espacio no utilizado en procesos agroindustriales, etc. Que se pone en práctica
experimental parael caso particular del secado de almidón de achira.
La planta del sagú (Canna Edulis) se caracteriza, entre otras cosas, por haber evolucionado un rizoma
que contiene una alta cantidad de almidones ricos en carbohidratos (1); en general estos rizomas
son aprovechados por el hombre de diferentes maneras ya que se pueden fabricar harinas,
almidones, bebidas en leche, panes, biscochos, etc. Sin nombrar los productos que se pueden lograr
con el resto de la morfología de la planta (2).
Ahora bien, es necesario introducir al lector en el proceso que se sigue para la obtención del almidón
de sagú. El proceso de obtención inicia cuando se realiza la cosecha de los rizomas de la planta para
lo cual se cortan los tallos del cultivo y posteriormente se remueven los rizomas de la tierra para ser
lavados. Donde pasan por un proceso de limpieza de tierra básicamente; en este momento se
recogen los rizomas para retirarles unas raicillas y escamillas que contaminan la harina. Acto seguido
se procede a tratar mecánicamente los tallos en un proceso de rallado que reduce un tallo compacto
a partículas de tallo. Teniendo ya la biomasa particulada es necesario extraer el almidón de los
rizomas previamente rallados. La idea es obtener lo que se denomina como la “lechada” que
básicamente es agua con almidón en suspensión, esta se puede obtener de diferentes maneras,
entre otras la adición de agua a la biomasa, con el fin de usar el agua como medio de transporte
2
para movilizar el almidón a unos tanques donde se espera que se sedimente (3). El paso por seguir
es el de lavar el almidón tamizado pues este retiene algunas impurezas que afectan el precio del
almidón en el mercado para lo cual se añade agua y se decanta el producto de manera tal que el
agua sea el medio de transporte de las impurezas que reducen el valor del almidón (3).
Finalmente se seca el almidón de diferentes maneras. Básicamente el proceso de secado es simple:
se busca extender el almidón en un área considerable con el fin que el calor evapore el agua y de
esta manera se seque. Las formas de obtener calor pueden variar. Podrían utilizarse diferentes tipos
de energía para convertirla en calor y de esta manera evaporar el agua. Lo más común es secar el
producto por medio de la energía solar dejándolo a la intemperie aunque también se pueden
adquirir secadores de combustión que operan con hidrocarburos o quemando biomasa. Sin
embargo en Pasca (Cundinamarca) una finca implementó dos secadores solares tipo Hohenheim,
fabricados por estudiantes de la Universidad de los Andes. Esta implementación tecnológica ha
mejorado el proceso reduciendo los tiempos de secado del producto con un costo energético nulo
ya que la energía solar es de acceso libre. Este beneficio se logra gracias a la absorción de energía
solar mediante un colector que compone el secador. La energía se ve reflejada en el aumento de la
temperatura del aire fluyente en el secador solar de manera tal que el agua que humecta el producto
se evapora de manera más eficiente (4).
Ilustración 1. Estratificación temperatura tomado de Gómez (4).
Aunque contundentes, los resultados obtenidos en el proyecto de grado por Edwin Gómez (4)
pueden ser objeto de mejoras sustanciales con el fin de tratar de resolver problemas de ingeniería
3
que se presentan dadas las características físicas del flujo de aire dentro del secador solar. Teniendo
en cuenta que se observa en ese trabajo de manera puntual que el flujo se estratifica, es decir se
presenta una diferencia de temperatura de entre 5°C y 10°C como se pueden ver en los resultados
obtenidos por Gómez (4) en la Ilustración 1. El punto bajo se encuentra a nivel con el sagú mientras
que el punto alto se encuentra 40 cm arriba del punto bajo. Dicho gradiente asociado a la
temperatura se adjudica al régimen en el cual se encuentra el fluido, dado que para este
experimento específico, el régimen de flujo era de transición. Este primer indicio sugiere que para
mejorar el desempeño del secador se requiere manipular el flujo de manera tal que si bien no se
pudiese eliminar este gradiente de manera definitiva se busque acercar el aire más caliente al
producto.
Por otro lado se observa en el proyecto de grado de Juan Sebastián Porras (2) un diseño de
ventilación forzada que no aprovecha toda la energía absorbida por la placa colectora de manera
adecuada; los ventiladores concentran el flujo en un chorro de aire, que si bien tiene una velocidad
considerable, se enfoca en una porción limitada de la placa colectora. La Ilustración 2 muestra el
diseño original de Porras (2). Esta fotografía permite evidenciar que el flujo que se tiene dentro de
la placa colectora tenderá a ser muy irregular e inadecuado, dado que inicialmente el flujo no tiene
la capacidad de desarrollarse, y por otro lado está concentrado como se visualiza en la Ilustración 3.
Ilustración 2. Fotografía del diseño de ventilación por Juan Sebastián Porras. Tomado de (2).
Ilustración 3. Placa colectora vista superior donde se observa la concentración del flujo en el diseño de Juan Sebastián Porras.
4
Esta evidencia sugiere que el problema principal de este secador es control del flujo de aire, flujo
que debe ser difundido a toda la extensión de la placa colectora, de manera tal que se aproveche
de manera más eficiente la energía solar absorbida en el colector solar.
Otro detalle importante que debe ser atacado en este proyecto, ya que se encuentra en la línea
directa de la ventilación, es el funcionamiento de los ventiladores como tal dado que la evidencia
sugiere que el efecto de ventilación no está operando de manera adecuada. El primer indicio de la
inadecuada ventilación fue la cinética de secado obtenida por Porras (2). En este proyecto Porras
buscaba comparar el efecto de forzar el flujo en uno de los secadores y compararlo con el de
convección natural. Aprovechando que contaba con dos secadores dimensionalmente iguales. Los
resultados resultan sorprendentes porque, al parecer, no hay diferencia significativa entre los dos
procesos tal como lo muestra la Ilustración 4. Este extraño resultado sugiere que hay un problema
en el secador de convección forzada ya que, la ventilación, por un lado, debe mejorar la
transferencia de calor entre la placa colectora y el aire de secado; por otro lado, mayor flujo de aire
debe favorecer los procesos de transporte generados durante el proceso de secado.
Ilustración 4.Cinética de secado de un secador solar tipo Hohenheim Izquierda: Secado por convección forzada. Derecha: Secado por convección natural. Tomado de (2).
Otra evidencia que sugiere que existe un problema con ventilación es la tanto la conexión de los
ventiladores como su consumo de corriente. La Ilustración 5 muestra la conexión que realizó Porras
en su proyecto (2). La conexión de los elementos eléctricos debe ser en paralelo, ya que si por algún
motivo se apaga uno de los dos el comportamiento del otro no se vea afectado y también porque la
conexión en serie cambia los parámetros de funcionamiento ajustándose a las capacidades del
circuito. Por otro lado el comportamiento del consumo de corriente registrado sigue un patrón que
tiende ajustarse a la temperatura (ver Ilustración 6), la cual es función directa de la radiación solar.
Esto quiere decir que los ventiladores estaban conectados directamente al arreglo fotovoltaico y no
a las baterías que son una fuente de voltaje constante, tal como lo muestra Porras en la Ilustración
6. Este comportamiento inusual sugiere que hay un problema con los ventiladores dado que el
comportamiento esperado de esta gráfica de corriente es una línea constante en el valor de placa
del ventilador, no un valor que fluctúe. Este comportamiento por otro lado no tiene nada que ver
con el hecho que el sistema que alimenta eléctricamente los ventiladores sea un arreglo
fotovoltaico, puesto que las baterías suplen de energía el sistema en las horas de la noche y se
recargan en las horas del día. Como tal las baterías son la fuente de voltaje directo de este sistema;
entonces en este comportamiento se ve un funcionamiento inadecuado por parte de la carga que
es la que impone los requerimientos de corriente dentro del circuito
5
Ilustración 5. Conexión en serie de los ventiladores en el proyecto de Porras. Tomado de (2)
Ilustración 6. Corriente a través de los ventiladores y temperatura interna de secador de convección forzada. Tomado de (2).
La tesis principal de este proyecto de grado es que la optimización del flujo de aire, mediante la
corrección de las deficiencias mencionadas, puede mejorar el desempeño del secador. Se puede ver
claramente que el fin de este proyecto es presentar una mejora sustancial al proceso que en
términos específicos debería verse representado en el tiempo que tiene que pasar el producto
dentro del secador.
En resumen, este proyecto de grado se dirigió hacia la ventilación forzada del producto, como se ha
explicado en párrafos anteriores, dado que se tienen serias dudas que esta esté teniendo un efecto
significativo en comparación con el proceso llevado a cabo por ventilación natural. Este trabajo se
enfoca en tres características relevantes: la primera es la caracterización del funcionamiento de los
ventiladores utilizados en (2) de manera tal que se pueda definir si su funcionamiento es el
6
adecuado, refiriéndose tanto a la corroboración de su curva característica como su funcionamiento
a largo plazo. Por otro lado se busca mejorar el control que se tiene sobre el flujo de aire que estos
ventiladores proveen dentro del secador solar, y finalmente se trabajará en reducir el gradiente
térmico experimentado en (4) de manera tal que se logre poner en contacto un aire más caliente
con el producto que el que se está logrando actualmente. En apartes posteriores se encuentra la
parte experimental del proyecto, ya que se requiere validar experimentalmente los cambios
propuestos como mejoras al proceso de secado.
Por consiguiente, este proyecto de grado tuvo como objetivo principal lograr una mejora al flujo
de aire dentro de un secador solar tipo Hohenheim para aumentar la transferencia de calor y
masa dentro del proceso de secado. Para esto, fue necesario realizar la caracterización de los
equipos de ventilación usados en el montaje, las cuales permitieron levar a cabo una comparación
entre dos alternativas de solución para la mejora del proceso de secado. Posteriormente se
seleccionó la opción más adecuada en términos energéticos, para finalmente manufacturarla y
llevar a cabo su respectiva aplicación in situ, durante la que se tomaron los datos necesarios para
realizar la caracterización de los patrones de flujo.
Finalmente se desarrolló un protocolo experimental que permitió estandarizar el proceso de
experimentación y generar una comparación directa del desempeño de la alternativa
seleccionada y la solución lograda hasta el momento.
El lector podrá encontrar en el capítulo 2 un marco referencial que explica los principios físicos que
rigen los fenómenos del secado. También se encuentra en el capítulo 3 y 4 un espacio donde se toca
el tema de la ventilación desde el punto de vista de los ventiladores y el desarrollo teórico del
método de reducción de diámetro implementado. Por otro lado se muestra el diseño y la
manufactura de la solución seleccionada en el capítulo 5. En el capítulo 6 se muestra de manera
detallada el plan experimental desarrollado para estandarizar el procedimiento de toma de las
mediciones como qué variables son interesantes para este experimento. De manera consecuente
se desarrolla el capítulo 7 que reporta el trabajo experimental asociado a las modificaciones
propuestas en capítulos anteriores. Dada la cantidad de información recopilada a lo largo de los
experimentos se presenta tanto la información recopilada como el análisis pertinente de los
resultados adquiridos. Finalmente se encuentra el capítulo 8 dedicado a las conclusiones y el
capítulo 9 muestra las recomendaciones generales del proyecto.
7
2 Marco Teórico La producción de harina de sagú exige un consumo importante de agua durante su fabricación; ésta
agua que humecta el producto propicia a su vez el desarrollo de microrganismos que descomponen
el producto y lo hacen no apto para el consumo humano. El método por excelencia para minimizar
este problema es el de secado con aire húmedo caliente. Este capítulo se enfoca en exponer los
principios que rigen el secado en general de sustratos sólidos.
2.1 Principios del secado En un proceso de secado, el producto entrega al aire que lo envuelve el agua que se desea eliminar
en forma de vapor (5). La cantidad de agua absorbida por el aire depende básicamente de dos cosas:
el vapor de agua contenido en el aire al momento de iniciar el secado, y la cantidad máxima de agua
que el aire puede recibir. Esta última es dependiente de la temperatura del aire; es decir a mayor
temperatura mayor es la capacidad de recepción de agua por parte del aire. Aunque también la
presión absoluta ejerce un efecto considerable, como se trata de un proceso al aire libre la presión
atmosférica es constante por lo cual solo se toma en consideración el efecto de la temperatura.
Se entiende como secado la eliminación de humedad de una sustancia. Esta descripción resulta un
poco amplia razón por la cual el secado se refiere única y exclusivamente a la extracción del
humectante por medio de evaporación; ya que, se pueden extraer las sustancias humectantes por
medio de tratamientos mecánicos como el prensado o el centrifugado; tal cual como ocurre con la
ropa por ejemplo. Cuando se lava la ropa se puede exprimir y cierta parte del exceso de agua es
removida o por otra parte se puede meter en una centrifugadora que extraiga también una parte
del exceso de agua. Sin embargo, no se puede decir que una prenda está seca hasta que el agua, o
la humedad de la prenda se evapora. (6)
2.1.1 Presión parcial Es importante entender el concepto de presión parcial de manera tal que este permita más adelante
comprender el concepto de humedad relativa. Cuando existen mezclas de sustancias, tal como el
aire, que es una mezcla de diferentes gases como el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua; la
presión total ejercida por el gas se puede entender como la suma de las presiones parciales de los
componentes de la mezcla. Es decir la suma de la presión parcial del nitrógeno, más la del oxígeno,
más la del vapor de agua darían la presión total del aire húmedo. Dicho de otra forma la presión
parcial también es la presión de un gas ideal si ocupara todo el volumen a la misma temperatura.
(7)
Ahora la forma de calcular la presión parcial Pa de un gas componente de la mezcla es la presión
total PT multiplicada por la fracción molar Xa. La Ecuación 1 muestra la forma de calcular la presión
parcial del gas a mientras que la Ecuación 2 muestra la forma de calcular la fracción molar, para la
cual Na es la cantidad de moles del gas a y NT es la cantidad de moles totales de la muestra. (6)
𝑷𝒂 = 𝑿𝒂𝑷𝑻 Ecuación 1.
𝑿𝒂 =𝑵𝒂
𝑵𝑻
Ecuación 2.
8
2.1.2 Contenido de humedad El contenido de humedad es una magnitud que expresa la cantidad de agua en un material sólido,
y se puede representar en términos de una base de masa seca o de una base de masa húmeda.
Aunque ambas expresiones representan el contenido de humedad de una muestra, sus valores
numéricos son distintos, por lo que al expresar el contenido de humedad sin indicar la base de
masa, se puede incurrir en un error de interpretación. (8)
2.1.2.1 Contenido de humedad en base húmeda
Es el cociente entre la masa de agua dentro del material y su masa total (mT). Aquí, el contenido de
humedad representa el porcentaje de masa de agua que contiene la muestra con respecto a su masa
total es decir la masa de agua es menor a la masa total del material. La definición de humedad en
base húmeda permite identificar de manera intuitiva el punto en el cual el material solo está
constituido por masa seca (0%) y punto en el que el material está constituido solo por agua (100%).
Donde mS hace referencia a la masa seca de la muestra (8):
𝑋𝑏ℎ =𝑚𝑇 − 𝑚𝑠
𝑚𝑇
(100%) Ecuación 3.
2.1.2.2 Contenido de humedad en base seca
Es el cociente entre la masa de agua en el material y su masa seca (mS). El contenido de humedad
en base seca compara la masa de agua que contiene un material sólido con su masa seca (8):
𝑋𝑏𝑠 =𝑚𝑇 − 𝑚𝑠
𝑚𝑠
Ecuación 4.
2.1.3 Psicrometría Se considera como aire a la mezcla de gases que constituyen la atmósfera terrestre (5); se tiene una
composición basada en su volumen de nitrógeno 78%, mientras que tan solo contiene un 21% de
oxígeno, otras sustancias en un 1% adicionalmente está el vapor de agua con un contenido variable
de vapor de agua. Dado que el aire contiene este porcentaje de agua es denominado aire húmedo.
La psicrometría estudia las propiedades termodinámicas de este aire.
Dentro del estudio de las propiedades termodinámicas del aire húmedo se tienen ciertas variables
de especial interés típico para realizar los diagramas psicrométricos como se expone a continuación:
Temperatura de bulbo seco o la temperatura ambiente es la temperatura a la cual se
encuentra la atmósfera más cercana al punto de interés.
Temperatura de bulbo húmedo es la temperatura mínima a la que puede llegar el aire
debido a la evaporación del agua; también se puede ver como la temperatura que tiene un
objeto húmedo rodeado de aire. La temperatura de bulbo húmedo es menor que la de
bulbo seco excepto en la condición de rocío donde ambas temperaturas se igualan.
Punto de rocío es la temperatura en la que el vapor de agua contenido en el aire comienza
a condensarse al ser enfriado a presión constante y con la cantidad de vapor de agua
constante (9).
9
Dado que la cantidad de vapor de agua varía en la mezcla del aire como tal es necesario conocer la
cantidad de agua que está contenida en el aire, este valor se puede representar como se muestra a
continuación:
Humedad específica (ω) (9): Es el cociente entre la masa de agua contenida en el aire y la
masa total de aire.
𝜔 =𝑚𝐻2𝑂
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒
Ecuación 5.
Humedad absoluta (ρH2O) (9): Es el cociente entre la masa de agua contenida en el aire y el
volumen de aire.
𝜌𝐻2𝑂 =𝑚𝐻2𝑂
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
Ecuación 6.
Humedad relativa (RH) (9): Es el cociente entre la humedad contenida en el aire con
respecto a la máxima humedad que puede ser contenida por el aire a determinada
temperatura y presión total; ésta se puede hallar en términos de la presión de vapor
saturado como se muestra en la Ecuación 7, donde se puede ver que P es la presión parcial
a la que se encuentra el vapor de agua y Psat es la presión de vapor saturado a determinada
temperatura.
𝑅𝐻(%) =𝑃
𝑃𝑠𝑎𝑡
Ecuación 7.
2.1.3.1 Diagrama psicrométrico
El diagrama psicrométrico es un diagrama específico para cada presión atmosférica que
corresponde a la presión total del aire húmedo, el cual contiene los principales parámetros
termodinámicos del aire húmedo. Se muestra en la Ilustración 7.
10
Ilustración 7. Diagrama psicrométrico (10).
Para conocer el estado termodinámico del aire mediante el diagrama psicrométrico se requiere
conocer tres parámetros independientes. En términos generales, uno de estos parámetros es la
presión para obtener la carta correcta. Teniendo dos parámetros, como por ejemplo la humedad
relativa y la temperatura seca, se puede ubicar un punto en la gráfica que permite averiguar los
parámetros relacionados faltantes.
2.2 Curvas de secado Las curvas de secado muestran el comportamiento del producto en cuanto a la desorción de agua
se refiere. Por un lado se tiene la curva de cinética de secado la cual es simplemente la
representación del contenido de humedad en función del tiempo. Cabe resaltar que la humedad
reportada puede ser base húmeda o en base seca según desee el experimentador. Para fines
prácticos de este escrito se reportarán dichas humedades en base húmeda.
La Ilustración 8 muestra el proceso común de secado constante, es decir que la temperatura del aire, la humedad y la velocidad del aire húmedo de secado se mantiene constate a lo largo del proceso de secado. Durante la primera etapa de secado en la zona A-B Ilustración 8, el producto se encuentra con una capa delgada de líquido en la superficie de los poros a una presión de vapor menor a la de saturación debido a que el aire no ha transmitido suficiente calor al producto para alcanzar su punto de evaporación. Por esta razón la velocidad de secado en la zona A-B aumenta hasta que alcanza la velocidad crítica de secado vcr cuando la humedad es removida a una tasa de secado constante, Ilustración 9 (9). Por otro lado, la humedad libre no está adherida a las paredes del medio poroso sino que está en los intersticios o poros del mismo. Durante la zona C-D se
11
remueve esta humedad a una velocidad decreciente. Si el proceso de secado continúa el producto alcanza el contenido mínimo de humedad llamado contenido de humedad en equilibrio Xeq donde
el proceso de secado de detiene totalmente, es decir, su velocidad se vuelve nula (9).
Ilustración 8. Cinética de secado (9).
Ilustración 9. Velocidad de secado. (9)
12
3 Pruebas experimentales de los ventiladores En el trabajo de Juan Sebastián Porras (9) se reportan ciertos problemas de operación de los
ventiladores marca PAPST® que se explican a continuación: se evidenciaron irregularidades, pues la
velocidad de rotación de las aspas no era estacionaria, todo lo contrario tendían a presentar una
oscilación aparentemente periódica en el montaje propuesto. A este comportamiento debe
sumársele que la conexión en serie de los ventiladores (9) cambia los parámetros de operación del
ventilador. Esta conexión se propuso ya que en la finca se cuenta con un sistema fotovoltaico con
un arreglo de baterías de 24 VDC ya que los ventiladores operaban a 12 VDC si se conectan en serie
se generaba un divisor de voltaje que resulta en el voltaje de operación de los ventiladores.
El error de conexión explica de cierta manera el comportamiento inadecuado observado en campo;
dado que el diseño de conexión de redes eléctricas es en paralelo, para que en caso de la
interrupción de uno de los componentes no afecte el otro; por otro lado los parámetros que reporta
el equipo en la placa son valores de voltaje y corriente para conexión en paralelo. Al momento en
el que se cambia a serie, claramente, y para cumplir con los requerimientos de potencia la corriente
del circuito cambia y no es la corriente de placa, haciendo que los ventiladores tengan un
comportamiento inadecuado.
Al revisar el tema expuesto anteriormente, se encuentra que los ventiladores siguen teniendo un
comportamiento inadecuado. Al estudiar el catálogo de los ventiladores se encuentra que estos
cuentan con un sistema de control de velocidad de giro del rotor, el cual no había sido tomado en
cuenta hasta el momento para las conexiones realizadas. Contactos vía correo electrónico con el
fabricante develaron la manera correcta de conectar los ventiladores para asegurar, según el
sistema de control, la máxima velocidad de rotación de los ventiladores. Estos equipos cuentan con
unas entradas extra de voltaje que pueden variar entre 0 VDC y 12 VDC al ingresar voltaje por estas
entradas el sistema de control se alimenta e indica al rotor a qué velocidad de giro debe operar. Al
no conectar estos cables se indicaba al ventilador que la velocidad de rotación era la mínima pero
al ingresar un voltaje de 12 VDC se indicaba que la velocidad de giro era la máxima. Sin embargo el
comportamiento erróneo parece empeorar, si bien el consumo de corriente de los motores no es
estacionario, tiene ahora un comportamiento aleatorio. Con picos de corriente de 2,6 A y
velocidades de rotación de 3100 rpm justo como lo reporta la placa. Sin embargo este
comportamiento no duraba más que un instante, y la corriente se caía tanto que en algunos casos
el ventilador se apagaba.
Teniendo en cuenta que se atacan todos los posibles errores de conexión, y se realizan pruebas en
laboratorio, con todos los parámetros eléctricos controlados se concluye que los ventiladores
usados por Porras (9) se encuentran averiado. Cabe resaltar que cuando estos ventiladores fueron
adquiridos no eran nuevos, se pudieron haber adquirido con fallas en el sistema de control.
Habiendo descartado los ventiladores marca PAPST® era necesario adquirir unos ventiladores
nuevos de manera tal que se desarrollara un sistema de ventilación adecuado para el proceso de
secado. Los cálculos hidráulicos desarrollados para la selección de los ventiladores se muestran en
el capítulo siguiente.
Se adquiere un par de ventiladores marca JUILONG de referencia 33550. Estos ventiladores fueron
adquiridos en la empresa Eléctricas Bogotá que suministra con la cotización de la compra la hoja
13
característica del equipo que se está adquiriendo. Este documento muestra tanto detalles
geométricos del equipo como detalles técnicos de operación que son mostrados en la Ilustración
10. La curva característica del ventilador es mostrada en la Ilustración 11.
Ilustración 10. Características eléctricas de los ventiladores JUILONG (11)
Ilustración 11. Curva característica de los ventiladores JUILONG (11)
Con el fin de confirmar los datos reportados por el fabricante, se realizó un experimento de
corroboración de funcionamiento que mide el desempeño de los ventiladores por un periodo de
dos horas, de manera que se pueda definir si las condiciones reportadas son también estacionarias
(ver Ilustración 12)
Ilustración 12. Caracterización eléctrica prolongada de los ventiladores JUILONG
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
123
123,5
124
124,5
125
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo [min]
Co
rrie
nte
[A
]
Vo
ltaj
e [V
]
Características Eléctricas
Voltaje Corriente Ventilador 1 Corriente Ventilador 2
14
Por otro lado se realiza también una caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores,
ya que esta es una característica que influye directamente en el caudal que aportan los ventiladores.
Ilustración 13. Caracterización de la velocidad de rotación de los ventiladores JUILONG
Se aprecia en la Ilustración 13 una diferencia cercana al 10% en las características de desempeño de
uno y otro ventilador. Esta diferencia puede estar consecuencia de detalles de manufactura, ya que
estos ventiladores son nuevos. Por otro lado se observa un comportamiento estacionario en el
tiempo que es el deseado de manera que se tenga una ventilación constante durante el proceso de
secado.
Si bien se evidencia la diferencia mencionada en el párrafo anterior se presenta un caudal de
entrada al secador muy parecido para ambos sistemas de ventilación, como se puede evidenciar en
el capítulo de resultados y análisis de resultados.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120
Vel
oci
dad
de
rota
ció
n [
RP
M]
Tiempo [min]
Velocidad de rotación
Ventilador 1 Ventilador 2
15
4 Cálculos del sistema de reducción de diámetro hidráulico Ahora bien, dados los hallazgos descritos en el capítulo anterior se requiere de la compra de un
ventilador nuevo, lo cual exige realizar los cálculos de pérdidas dentro del ducto para la selección
apropiada del equipo. Hay que tener en cuenta que se plantea el desarrollo paralelo del estudio
para una reducción del diámetro hidráulico constante (ver Ilustración 15) y para la aplicación de 6
deflectores aerodinámicos (ver Ilustración 14).
El cálculo del sistema inicia con unos parámetros de diseño. Básicamente es la velocidad de flujo
dentro del secador, la cual se estipula como 2 m/s. Con este dato se procede a calcular el número
de Reynolds Ecuación 8 y Ecuación 15 teniendo en cuenta los parámetros de operación del
ventilador en Pasca Cundinamarca (12):
Tabla 1. Tabla comparativa de propiedades de operación de las propuestas de control de flujo
Propiedades del sistema
Deflectores Aerodinámicos (da) Reducción Constante (rc)
ρ@2180msnm&15.4°C= 0,937 kg/m3.
V = 2 m/s.
μ@1Atm&14.5°C= 1,78X10-5Pas
DH = 4 A P-1 = 0,392m DH = 4 A P-1 = 0,246m.
𝑅𝑒𝑑𝑎 =𝜌𝑉𝐷𝐻
𝜇= 41250
Ecuación 8.
Dado que el flujo que se usa convencionalmente en este tipo de máquinas presenta un gradiente
de temperatura como es natural, puesto que las velocidades del fluido no son altas y en
consecuencia se trabaja en regímenes de transición, se le permite al aire “organizarse” y
estratificarse, generando un gradiente de temperatura donde su valor mínimo es el cercano al
producto y su valor máximo está encima por la diferencia de densidades. Por lo anterior planeó
poner unos deflectores aerodinámicos que obliguen al flujo seguir una ruta predeterminada, de
manera tal que el aire caliente descienda dentro del túnel y el producto tenga la oportunidad de
interactuar con aire a mayor temperatura. Esto claramente genera una pérdida de carga dentro del
sistema hidráulico, puesto que estos deflectores aerodinámicos como tal presentan una reducción
del área transversal del ducto. La Ilustración 14 presenta una vista esquemática de un tramo del
túnel del secador, mostrando los deflectores aerodinámicos propuestos. Por otro lado, y como se
indicó previamente, se plantea también desarrollar una sola reducción de diámetro constante (ver
Ilustración 15) que limite la altura del ducto; así el gradiente de temperatura tiene que reducirse.
Por otro lado se cuenta con el efecto de la turbulencia que “como es natural” tenderá a mezclar
naturalmente el fluido obteniendo una temperatura más homogénea a lo alto del ducto.
16
Ilustración 14. Esquema de deflector aerodinámico
Ilustración 15. Esquema de reducción constante del diámetro
Teniendo en cuenta lo anterior se plantea pues el estudio de las pérdidas por accesorios dentro del
ducto del secador. Para el caso de los deflectores aerodinámicos se procede de la siguiente manera:
el cálculo de estas pérdidas se estima como un cambio de sección como se ha dicho anteriormente;
por lo cual, la Escuela de Ingeniería de Antioquia (13) presenta una forma de hallar la constante de
pérdidas de este accesorio. Dentro de la geometría desarrollada por la estructura del secador, se
tiene una longitud de 4 m en la cámara de secado y un ancho de 1,4 m, donde caben 12 bandejas
en dos filas de 6 una delante de la otra. Ésta zona de secado cuenta con tres costillas que dividen la
cámara de secado en tres zonas de 1,3 m de longitud por 1,4 m de ancho cada una. Tomando como
base esta zona se podría decir que en esta división de la cámara de secado caben 4 bandejas una al
lado de la otra y una delante de la otra. Como se tiene una zona rectangular divida en 4 espacios
rectangulares a su vez es necesario que cada fila de bandejas, es decir, las bandejas que están
acomodadas una al lado de la otra, cuente con un deflector aerodinámico que haga descender el
flujo a todas las bandejas. Por lo cual se procede a hallar las dimensiones del deflector aerodinámico.
Para que el secado de todas las bandejas sea igual se puede direccionar el extremo del deflector a
la mitad de la bandeja, con el fin de lograr que la mitad de la bandeja interactúe con flujo
descendente y la otra mitad con flujo ascendente. Por lo anterior se puede calcular la longitud del
deflector aerodinámico y además el ángulo θ que muestra la Ilustración 14. Dicho ángulo es
fundamental para calcular el factor de pérdidas locales K (13).
Se fija una altura de 0,15 m de manera arbitraria como diferencia entre la bandeja y el extremo
inferior del deflector, se puede obtener las dimensiones del deflector aerodinámico triangular como
lo muestra la Tabla 2.
17
Tabla 2. Parámetros geométricos del deflector aerodinámico
Base [m] 0,93
Altura[m] 0,3
Ángulo θ [°] 42
Con estos datos geométricos se puede obtener el factor de pérdidas locales K (13) que se presenta
en la Ecuación 9.
𝐾@42° = 0,292 Ecuación 9.
Con este factor de pérdidas se calcula la cabeza de pérdidas locales como lo muestra la Ecuación 10.
𝐻𝑙 = 6𝐾 (𝑉2
2𝑔) = 0,357 𝑚
Ecuación 10.
Se plantea desarrollar un deflector que ayude al aire a subir lentamente pues una ampliación
gradual presenta menos pérdidas que una ampliación abrupta. Se utiliza el espacio entre deflectores
descendentes ubicar los deflectores ascendentes. Las pérdidas por este accesorio se modelan como
una ampliación gradual, las cuales son calculadas como sugiere (14) y se muestran en la Ilustración
14. Esquema de deflector aerodinámico. Como se puede ver entonces el ducto estaría reducido a
una conexión de accesorios por lo que calcular las pérdidas por fricción resulta erróneo dado que se
estaría sobrestimando la carga. Ahora bien se procede a calcular la cabeza de pérdidas por
ampliación de los deflectores mediante la Ecuación 11. que requiere los siguientes parámetros:
A1: Área menor = 0,173 m2
A2: Área mayor = 0,297 m2
K∞@42°: Coeficiente de grado = 0,92
V: Velocidad en el ducto mayor
𝐻𝑎𝑑 = 6 ((𝐴1
𝐴2)
2
− 1𝐾∞𝑉2
2𝑔) = 0, 197𝑚
Ecuación 11.
Cabe resaltar que tanto la Ecuación 10. cómo la Ecuación 11. están multiplicadas por 6 dado que se
piensa ubicar 6 deflectores de reducción y ampliación respectivamente.
Sólo resta calcular las pérdidas por el difusor de fluido del ventilador antes de ingresar a la cámara
de colección (ver Ilustración 15), de manera tal que se tengan todos los requerimientos de energía,
con el fin de hallar la cabeza total del sistema. A continuación la Ecuación 12 muestra cómo se
calculan las pérdidas por expansión (Ha). Teniendo en cuenta un ángulo de 30° de ampliación (14).
Los parámetros de esta ecuación son:
A1: Área menor = 0,0082 m2
A2: Área mayor = 0,29 m2
K∞@30°: Coeficiente de grado = 0,7
V: Velocidad en el ducto mayor
𝐻𝑎 = (𝐴1
𝐴2− 1)
2
𝐾∞
𝑉2
2𝑔= 0, 13𝑚 Ecuación 12.
18
Para concluir este procedimiento se desea el resultado de la cabeza total del sistema el cual está
consignado directamente en la Ecuación 13. Ahora bien con esta cabeza se puede hallar la potencia
requerida por el ventilador en el mejor punto de operación del mismo, ya que se tiene el caudal de
trabajo y la presión requerida por el sistema.
𝐻𝑇 = 𝐻𝑙 + 𝐻𝑎𝑑 + 𝐻𝑎 = 0,691𝑚 Ecuación 13.
Ahora es necesario calcular la ecuación característica del sistema que se muestra en la Ecuación 14.
Es importante mencionar que la parte derecha de esta igualdad solo sirve para esta aplicación
específica y que el caudal debe ser ingresado en [m3/s] para que sea dimensionalmente correcta.
𝑉2
2𝑔∑ 𝐾 = 𝐻𝑠𝑖𝑠 = 1,1048 𝑄2
Ecuación 14.
Por otro lado, se trabaja en el cálculo del ducto para la reducción constante. Para este caso el
número de Reynolds se muestra a continuación:
𝑅𝑒𝑟𝑐 =𝜌𝑉𝐷𝐻
𝜇= 25907
Ecuación 15.
Teniendo como base el diagrama de Moody se puede ver que el sistema se diseña en un régimen
turbulento para este caso, al igual que la propuesta de deflectores, lo cual es adecuado para mejorar
la transferencia de calor y masa dentro del proceso de secado. Los materiales que se van a manejar
en el ensamble son la madera y polietileno multicapa, de los cuales se obtuvo la rugosidad absoluta
en (15). La madera está puesta en la estructura del secador es decir donde se soportan las bandejas
y el plástico es la cubierta del secador.
ε Plástico= 0,0015 mm ε Madera = 0,5 mm ε prom = 0,25075 mm
Dado que es poco común tener un ducto de diferentes materiales, lo que se plantea es promediar
las rugosidades de manera tal que se pueda obtener un valor representativo con el cual realizar los
cálculos de la rugosidad relativa en la aplicación de reducción constante mediante la Ecuación 16.
Para continuar con el factor de fricción calculado con la Ecuación 17, dado que el sistema de
deflectores plantea una serie de ampliaciones y reducciones; la tubería irregular correspondiente
se calcula de manera paralela.
(𝜀
𝐷𝐻)
𝑟𝑐
= 0,001 Ecuación 16.
𝑓𝑟𝑐 = 0,03 Ecuación 17.
𝑓𝑑𝑎 = 0,024 Ecuación 18.
Por lo cual la cabeza de pérdidas por fricción del sistema de reducción constante está dado por la
Ecuación 19.
𝐻𝑓 =𝑓𝑙𝑉2
𝐷𝐻2𝑔= 0,149 𝑚
Ecuación 19.
19
Ahora se procede a calcular las pérdidas por la reducción inicial la cual se encuentra a un ángulo de
42° como se muestra en la Ecuación 20.
𝐻𝑙𝑟𝑐 = 𝐾 (𝑉2
2𝑔) = 0,059 𝑚
Ecuación 20.
Se procede ahora a calcular la cabeza de pérdidas por la ampliación inicial del difusor de entrada en
la Ecuación 21.
𝐻𝑎𝑟𝑐 = ((𝐴1
𝐴2− 1)
2
𝐾∞
𝑉2
2𝑔) = 0,133 𝑚
Ecuación 21.
Para finalmente lograr la cabeza total de pérdidas de que se muestra en la Ecuación 22.
𝐻𝑡𝑟𝑐 = 𝐻𝑓 + 𝐻𝑙𝑟𝑐 + 𝐻𝑎𝑟𝑐 = 0,545𝑚 Ecuación 22.
Con estos datos se puede calcular la ecuación característica del sistema mediante la Ecuación 23.
Es importante mencionar que la parte derecha de esta igualdad solo sirve para esta aplicación
específica y que el caudal debe ser ingresado en [m3/s] para que sea dimensionalmente correcta.
(∑𝑓
𝛷ℎ+ 𝐾)
𝑉2
2𝑔= 𝐻𝑠𝑖𝑠 = 2,84𝑄2
Ecuación 23.
Ilustración 16. Curva de operación del sistema con deflectores aerodinámicos
Con estos datos técnicos se ha decido adquirir un ventilador AC de 38W de potencia eléctrica. Con
base en las en las curvas características del ventilador otorgadas por el fabricante se puede construir
la Ilustración 16 y la Ilustración 17. Estas gráficas permiten comparar las alternativas presentadas
para decidir cuál es más adecuada. Ambas ilustraciones están basadas en la curva característica del
ventilador (Cabeza Estática).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Po
ten
cia
Hid
ráu
lica
[W]
Cab
eza
[m]
Caudal [m^3/s]
Deflectores Aerodinámicos
Cabeza Estática [m H2O] Cabeza Sistema [m] Potencia [W]
20
Ilustración 17. Curva de operación del sistema con reducción constante.
Dado que la solución propuesta de deflectores implica más pérdidas de carga al sistema, la curva
del sistema para este caso tiende a ser más horizontal que la propuesta para el sistema de reducción
(comparar Ilustración 16 con Ilustración 17). Por otro lado, el ventilador entrega una potencia
hidráulica al fluido cercana a 1,7W para la propuesta de deflectores y de 2W para la propuesta de
reducción constante. Esto quiere decir que la solución de reducción constante es una aplicación más
eficiente que la de deflectores aerodinámicos. Además lado esta solución presenta una manufactura
más simple que la de deflectores y pueden ser montada y desmontada más fácilmente. Sumado a
esto el sistema de reducción constante presenta la ventaja que las bandejas tienen el flujo en una
condición constante durante toda la cámara de secado, es decir que el proceso de secado es
homogéneo a lo largo de la bandeja. Mientras que el sistema de deflectores presenta variaciones
en el flujo pues el aire sube y baja dentro del ducto y probablemente el secado a lo largo de la
bandeja no va a ser homogéneo.
En síntesis se ha mostrado en este capítulo que la ventilación forzada ejecutada por Porras (9) no
fue efectiva pues los ventiladores se encuentran dañados. Razón por la cual se hacen los cálculos
del ducto, con el fin de adquirir unos ventiladores apropiados y así lograr una velocidad de 2m/s en
el interior del ducto. En paralelo se ponen en consideración dos posibilidades de diseño que fueron
evaluadas en términos energéticos, de manufactura y beneficios al proceso de experimentación.
Paso seguido se enfocan los esfuerzos posteriores al diseño detallado y manufactura de esta
solución.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Po
ten
cia
hir
áulic
a [W
]
Cab
eza
está
tica
[m
]
Caudal [m^3/s]
Reducción Constante
Cabeza V [m H2O] H sis [m] Potencia [W]
21
5 Diseño de detalle y manufactura Teniendo en cuenta el desarrollo del concepto como tal escogido previamente ahora es necesario
generar un diseño de detalle del sistema de difusión y del sistema de reducción del diámetro
hidráulico de la cámara de secado. Una restricción que existe para este diseño mecánico es la
cuestión del material. Este diseño debe ser implementado en aluminio por las propiedades del
material, como la densidad, el precio y sobretodo la resistencia a la intemperie.
Los elementos que se tengan que construir deben ser con geometrías simplificadas y materiales
resistentes a los trajines agropecuarios. Por ejemplo el vidrio resulta tener mejores propiedades de
transmitancia térmica en comparación con el plástico de invernadero. Sin embargo, en diseños
anteriores se ha utilizado el plástico de invernadero para la cubierta del secador porque el vidrio
tiende a romperse cuando objetos caen sobre el secador. En general lo que se busca es generar
una tecnología que permita una manufactura que esté al alcance de los pequeños productores
agropecuarios y acorde con su entorno tecnológico y comercial que además permita una muy buena
integridad estructural.
5.1 Diseño de detalle del difusor Los hallazgos de Porras (9) junto con los presentados en apartes anteriores de este escrito, sugieren
desarrollar un aditamento complementario que permita usar de manera más eficiente la energía
reunida por el colector solar del secador. Las restricciones de diseño de éste dispositivo son simples:
la primera es que el difusor debe ser removible porque dentro de otros proyectos se planea hacer
pruebas en ventilación natural y este desarrollo no debe ser un impedimento para llegar a
resultados en dicha condición de ventilación. La segunda es que la estructura desarrollada sea
manufacturada en aluminio. Finalmente en la medida de lo posible la estructura debe ser
desarmable, de tal manera que su transporte se facilite al máximo.
Este dispositivo se desarrolla en aras de mejorar la ventilación dentro de la cámara de colección.
Como muestra la Ilustración 18, el fluido se movía en dos flujos concentrados proyectados en el eje
de cada ventilador tal como ocurre en el prototipo desarrollado por Porras (9). Este comportamiento
afecta la eficiencia energética de la máquina pues se presentan zonas sin flujo dentro de la cámara
de colección. Es decir todo el espacio sobre la placa de colección en el cual no se desarrolla un flujo
aprovechable de aire. Entonces una pequeña cantidad de aire caliente pasa sobre el producto y se
está desperdiciando toda la energía de las zonas de la placa en las que el flujo no es aprovechable.
Ilustración 18. Esquema del comportamiento del aire dentro de la cámara de colección sin la aplicación de difusor
22
Si se permite desarrollar el flujo forzado por los ventiladores, y a su vez se instala un dispositivo de
ampliación paulatina del diámetro hidráulico (Difusor) se logra controlar el movimiento del aire a lo
largo de todo el ducto. Esquemáticamente la Ilustración 19 muestra el movimiento ideal del aire
dentro de la placa colectora. El perfil de velocidad es aproximadamente como lo muestra la
Ilustración 19, ya que en los bordes de los ductos la velocidad tiende a cero y es máxima en el centro
del ducto.
Ilustración 19. Ilustración esquemática del control del flujo sobre la placa colectora.
Teniendo en cuenta lo anterior se procede a desarrollar un CAD (DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR
según sus siglas en inglés) o un diseño de detalle de cada uno de los componentes que van a integrar
el difusor. La Ilustración 20 muestra una vista isométrica del montaje completo detallado utilizado
como base para la manufactura del mismo. Mientras que la Ilustración 21 muestra una explosión de
los subsistemas que componen el difusor. El ANEXO B muestra los planos de detalle de todas las
partes del montaje.
Ilustración 20. Vista isométrica del montaje del difusor.
23
Ilustración 21. Explosión del montaje del difusor
5.2 Manufactura del difusor Teniendo en cuenta los planos de manufactura desarrollados en el ANEXO B se compraron los
materiales y se manufacturó el difusor. Los materiales utilizados en este difusor se encuentran
relacionados en la Tabla 3.
Tabla 3. Lista de materiales Usados
Descripción Material Cantidad Longitud Precio total (2014 IVA incluido)
Ventilador 38 W N/A 2 N/A $61.000
Tubería sanitaria 6” PVC 2 1.5 m $76.000
Platina 2”X3/16” (Al) Aluminio 1 6 m $52.000
Platina 2”X1/8” (Al) Aluminio 1 3 m $20.000
Ángulo 1”X1/8” Aluminio 1 1 m $6.000
Tubería Cuadrada 1” Aluminio 4 1 m $16.000
Tubería cuadrada 7/16” Aluminio 4 0,6 m $12.000
Eje sólido 1” Aluminio 4 0,25 m $5.000
Abrazadera para tubería 6”
Acero Galvanizado 4 N/A $10.000
Abrazadera para tubería 8”
Acero Galvanizado 2 N/A $10.000
Eje sólido 180mm Polietileno de alta densidad
1 0,11 m $30.000
Remaches POP 1/8”X1/2”
Aluminio 50 N/A $2.000
Remaches pop 3/16”X1/2”
Aluminio 25 N/A $3.000
Caucho Espumoso 50mmX10mm
Caucho espumoso 1 10 m $50.000
Plástico de invernadero N/A 1 3 m $50.000
Pegamento de contacto (BOXER®)
N/A 1 N/A $40.000
24
La manufactura de varios componentes del difusor requiere del doblado de platinas rectas
previamente cortadas a la longitud adecuada. Este proceso de conformado se realiza en una
dobladora CNC con el fin de asegurar la precisión en los ángulos requeridos para el montaje. La
Ilustración 22 muestra un ejemplo del proceso de conformación de la costilla menor (Refiérase al
ANEXO B).
Ilustración 22. Conformado de piezas por deformación plástica en Dobladora CNC.
Con todas las piezas plenamente cortadas y dobladas se pasa a verificar las medidas y a corregirlas
en caso de ser necesario porque el proceso de doblado deforma un poco las piezas en sentidos que
no son deseados. La Ilustración 23 muestra cómo se sobrepusieron las piezas para verificar sus
medidas y proceder con la soldadura de los subensambles.
Ilustración 23. Verificación de medidas y preparación para la soldadura.
Luego de realizar los procesos de soldadura pertinentes a los subensambles. Se prosigue con la
ubicación de los soportes estructurales de los difusores para marcar y realizar agujeros de los
elementos de sujeción permanentes como lo muestra la Ilustración 24. Teniendo la estructura
25
terminada de ambos difusores se coloca el caucho espumoso sobre la estructura de aluminio. Este
caucho permite proteger el forro plástico del difusor de la estructura metálica pues el contacto
directo del plástico con el aluminio tiende a rasgar el plástico en los puntos de contacto. (Ver
Ilustración 25).
Ilustración 24. Sujeción temporal para la ubicación de remaches permanentes
Ilustración 25. Estructura del difusor envuelta en caucho espumoso.
26
5.3 Manufactura del Forro Con la estructura terminada el paso por seguir es manufacturar el forro del difusor. Que en unión
con la estructura es el ducto por el cual se va a difundir el flujo desarrollado del ventilador. El forro
fue cortado a medida para cada uno de los difusores en plástico de invernadero. Esto permite que
el forro ajuste de la mejor manera a cada difusor por separado. La Ilustración 26 muestra cómo se
realizó el corte de las piezas del forro.
Ilustración 26. Manufactura y soldadura de los forros.
Se propone realizar la sujeción entre los cortes de plástico por medio de una soldadura lograda de
la siguiente manera: a cada corte se le deja un excedente de material de 1 cm de manera perimetral
de tal forma que se junten los excedentes de los dos cortes que se van a soldar. El cordón de
soldadura o costura se logra por medio de una pistola de calor que impulsa aire caliente a una
temperatura superior a la temperatura de fusión del plástico (110°C) y menor a la temperatura de
degradación térmica del polímero (190°C) (16). La acción de la temperatura en el plástico hace que
este se recoja y cambia a fase líquida, al estar ambas pestañas o excedentes en fase líquido se
funden en una sola y de esta manera se logra la soldadura como se muestra en la Ilustración 27.
Ilustración 27. Detalle de la soldadura de plásticos
27
El proceso de soldadura presenta una resistencia adecuada en la mitad de la costura. Sin embargo
se evidencia un punto débil en el inicio de la costura. Esta debilidad afecta el desempeño mecánico
del forro porque cuando se monta en la estructura este se rasga en esa zona y la falla se propaga
por el cordón de soldadura (ver Ilustración 28). Este problema se soluciona reforzando la costura
con una cinta adhesiva plástica resistente a la radiación UV y con refuerzo de tela.
Ilustración 28. Falla en el inicio de la soldadura.
5.3.1 Manufactura de Deflectores Aerodinámicos Los deflectores aerodinámicos son unas divisiones que se realizan dentro del ducto de manera que
se obliga al aire a tomar caminos distintos. Estos deflectores son una forma de asegurar que el flujo
se reparte a lo ancho de la sección transversal de entrada. El proceso de manufactura de los
deflectores aerodinámicos se realizó en dos etapas: la primera fue una etapa de diseño y prueba de
materiales. Inicialmente se planeó desarrollar estos deflectores aerodinámicos en el plástico de
invernadero usado para la manufactura del forro. Sin embargo unas sencillas pruebas demostraron
que el uso de este material dificultaba mucho el proceso de tensión del plástico. Entonces se pasó
a utilizar un material más rígido como lámina de PET de 1 mm de espesor como se puede ver en la
Ilustración 29.
Ilustración 29. Manufactura de los deflectores aerodinámicos.
28
Esta etapa preliminar sirvió para desarrollar un diseño más robusto y definitivo. Los problemas
asociados a los deflectores de PET son los siguientes: este material es enrollado para su
almacenamiento y es muy rígido. Entonces cuando se desenrolla y se realiza el corte la pieza sigue
enrollada como se muestra en la Ilustración 29. Inclusive si se usan medios de sujeción temporales
como los hombre solos se puede ver que el deflector no queda del todo recto. Este detalle en
principio se pensó que iba a ser despreciable. Sin embargo, se logró constatar por medio de
medición directa que la forma curva que tomaba el deflector generaba un patrón de flujo no
deseado. Mostrando valores cercanos a 0,2 m/s en casi toda el área transversal del difusor, pero
con un punto de concentración del flujo con velocidades que rodean los 2,4 m/s.
Claramente este comportamiento es indeseado pues, si bien se espera que la velocidad no sea
constante a través del área de salida del difusor, por lo menos se espera cierta simetría en el patrón
de flujo. La Ilustración 30 muestra el montaje en laboratorio del difusor con la tubería de desarrollo
y el ventilador. Obsérvese que el deflector aerodinámico presenta una trayectoria curva entre
soportes y es este error de manufactura la causa del funcionamiento inadecuado de esta propuesta
de deflectores. Otro error en el que se incurrió fue en la alineación de los soportes de los deflectores
ya que los soportes fueron alineados con la platina y no con el deflector. Razón de más para generar
una trayectoria curva entre los soportes y no recta como se había pensado.
Ilustración 30. Montaje de prueba para la verificación del campo de velocidades del difusor.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos con el PET se procede a la segunda etapa del proceso
de manufactura de los deflectores. Esta etapa se concentra en corregir todos los errores detectados
en la experiencia anterior. La primera corrección fue modificar el ángulo de los soportes de los
deflectores con el fin de corregir su posición angular y que los soportes fuesen colineales. Esto se
logró realizando un corte al soporte y generando una deformación plástica en el excedente del
material del soporte como se evidencia en la Ilustración 31. También se cambió el material de los
deflectores. Esta vez se utilizaron láminas alveolares de polipropileno (CARTONPLAST®) para realizar
los deflectores. Este material viene en pliegos y es almacenado en gavetas características que
certifica que la pieza conserva la forma después de cortarse. Además presentan una resistencia
adecuada por los soportes estructurales que tienen dispuestos entre láminas emulando el cartón.
29
Ilustración 31. Corrección del soporte de los deflectores aerodinámicos y sujeción por abrazaderas plásticas.
El cambio de los deflectores mejoró sustancialmente el perfil de velocidades dentro del difusor. Este
perfil se desarrolla una forma más adecuada logrando así la difusión del flujo a la entrada de la
cámara de colección dentro del secador. La Ilustración 32 a) muestra la instalación de los deflectores
de CARTONPLAST en la estructura del difusor mientras que la Ilustración 32 b) muestra un montaje
preliminar del difusor. Este montaje se logra con unos ángulos en acero agujereados puestos uno
contra el otro. Estos agujeros en los ángulos permiten fijarlos a las estructuras tanto del difusor
como del secador. Además cuentan con un agujero extra que permite montar un tornillo pasante
que atraviesa ambos ángulos y la su tuerca permite ajustar las estructuras para asegurar el sello
mecánico y evitar fugas.
a) b)
Ilustración 32. a) Montaje de deflectores en CARTONPLAST. b) Montaje preliminar del difusor en el secador.
5.4 Montaje final del difusor Finalmente se desarrolla el montaje final incluyendo todas las partes del difusor, tal como se
esperaba ver desde el CAD. En esta fase se ensamblan todos los sistemas y se deja el montaje listo
30
para desarrollar los experimentos de ventilación forzada. En este punto del proyecto se logró mover
el secador de madera justo al lado del secador de aluminio desarrollado por Porras (9). Este último
cambio permitió acoplar los elementos de difusión de flujo al secador de madera. Esta tarea era
imposible en la zona en la cual estaba ubicado inicialmente debido a la proximidad con árboles
circundantes y a la casa de la finca. Asimismo esto presenta una ventaja experimental en
comparación con trabajos anteriores ya que se alinearon los secadores de manera paralela y ambos
reciben las mismas condiciones de viento. La Ilustración 33 muestra el resultado final de la
manufactura y montaje de los difusores a los secadores existentes en campo. En esta fotografía se
puede ver un plástico que eventualmente puede hacer sombra a los secadores ya que el espacio
disponible dentro del predio es limitado. La Ilustración 34 muestra un detalle de la sujeción del forro
al montaje final.
Ilustración 33. Montaje final de los difusores en los dos secadores.
Ilustración 34. Detalle de sujeción del forro al montaje final.
31
5.5 Manufactura de la reducción del diámetro hidráulico El secador se compone de dos cámaras, una de colección y una de secado. Estas cámaras
representan un ducto por el cual fluye el aire desde el difusor hacia la chimenea. Cabe resaltar que
este ducto no es de sección transversal circular como se acostumbra usar en las aplicaciones
hidráulicas. Estas aplicaciones han desarrollado una teoría y modelos matemáticos que permiten
pronosticar el comportamiento y diseñar arreglos de tubería para ductos de sección transversal
circular. Es por esto que se ha desarrollado el concepto de diámetro hidráulico que emula un ducto
circular de diámetro equivalente.
La propuesta seleccionada de mejora al proceso es la instalación de un dispositivo que reduzca la
distancia entre el aire más caliente y el producto como midió Gómez (4). Para lograr la instalación
de este dispositivo hay que tener en cuenta que el aditamento debe ser desmontable. Esto permite
regresar el secador a su configuración original. Esta restricción conlleva un diseño de marcos de
madera forrados con plástico de invernadero que permite la entrada de la radiación solar. La
Ilustración 35 muestra los listones de madera MDF sobrepuestos en el suelo. Un marco adicional es
el encargado de la integridad estructural del panel que es ubicado de manera intercalada para ser
adherido con un adhesivo sintético de poliacetato de vinilo (CARPINCOL ®) como se puede ver en la
Ilustración 36.
Ilustración 35. Marco de reducción de diámetro
Ilustración 36. Ensamble del marco y unión adhesiva
HENDIDURA
32
Con todos los marcos previamente consolidados se procede a la instalación del plástico de
invernadero. Se utilizan grapas industriales para sujetar el plástico a la madera así como se muestra
en la Ilustración 37. Se puede apreciar un detalle de las grapas usadas en la Ilustración 38. Estas
grapas son grapas 64/72 de puente 11,2 mm y tamaño 0,60 x 0,70 mm (17). Para sujetar el plástico
al marco de manera correcta las grapas fueron colocadas cada 2 cm entre ellas aproximadamente.
Esta distribución permite evitar el desgarramiento del plástico por la tensión pues si ésta se reparte
entre todos los puntos de fijación logra una sujeción más uniforme del plástico y una distribución
de cargas mas homogénea.
Ilustración 37. Sujeción del plástico al marco de madera
Ilustración 38. Detalle de sujeción del plástico al marco de madera.
33
Finalmente se llevan los paneles a campo. Para instalarlos es necesario emplazar con remaches en
las costillas de la cámara de secado unos soportes sobre los cuales descansan los paneles. Cuando
los soportes han sido instalados se ponen encima los paneles de manera que quede el plástico
enfrentado con el producto como se muestra en la Ilustración 39. Esto favorece el flujo ya que
presenta una frontera del ducto con menor rugosidad que el lado opuesto.
Ilustración 39. Paneles de reducción instalados dentro del secador.
En síntesis este capítulo explica brevemente el funcionamiento de cada una de las modificaciones
propuestas para el proceso. Además muestra la forma en la cual se realizaron los procesos de
manufactura de los aditamentos construidos. Se mostraron los pasos seguidos para el diseño y
construcción de la estructura del difusor, los deflectores aerodinámicos, el forro del difusor y la
reducción del diámetro hidráulico del ducto. También se habló de algunos problemas encontrados
con este tipo de solución.
34
6 Plan experimental El plan experimental es un documento escrito donde se establece el propósito del experimento, los equipos necesarios, el procedimiento a seguir paso a paso, la forma de obtener los resultados y de analizarlos. Este ejercicio ayuda para tener más clara la selección de equipos e instrumentos de medición adecuados. También ayuda a establecer de manera muy precisa la información que es valiosa para comprender los fenómenos desarrollados en el proceso de secado.
6.1 Objetivos experimentales El objetivo principal de este experimento es la comparación directa entre el secado forzado tal y
como se desarrolló en el trabajo de Porras (9) y la solución escogida en este trabajo que se piensa
que mejoraría el desempeño del secador.
6.2 Experimento caracterización de secado Para este caso específico es necesario plantear un bosquejo del secador para entender un poco el
montaje experimental (ver Ilustración 40). Cabe resaltar que esta ilustración no guarda ninguna
relación dimensional con el secador actual pero sirve de manera conceptual para evidenciar ciertas
zonas relevantes y las variables físicas que han de ser medidas en el experimento en campo. Esta
ilustración muestra unas zonas de interés como unas variables físicas importantes para el
experimento.
Ilustración 40. Boceto conceptual del montaje experimental en el secador solar.
La Ilustración 40 muestra la división funcional del secador: la cámara de colección que es la zona en
la cual se recopila energía solar y la cámara de secado que es la zona en la que el producto pierde
su humedad. Esta última se divide en dos extremos: la entrada de la cámara de secado y la salida.
Para la entrada como la salida de la cámara de secado es importante medir la velocidad, la
temperatura y la humedad relativa del aire. Además se debe medir la humedad del producto tanto
35
para la entrada como para la salida. Esto permite definir si existen diferencias entre una y otra
posición. Es importante mencionar que dadas las características de los nuevos ventiladores
adquiridos se cambia la fuente de energía del arreglo de paneles solares fotovoltaicos a la corriente
alterna de la casa.
En la Ilustración 40 se muestran una serie de variables físicas que deben ser medidas a lo largo del
experimento la Tabla 4 describe de manera específica cada variable a medir en este experimento.
Esta tabla es importante porque revela la naturaleza de la variable y prepara al experimentador para
la preparación de los instrumentos de medición requeridos en esta experiencia. Asimismo da una
idea de la fracción de tiempo disponible del instrumento dentro del experimento.
Tabla 4. Relación de las variables medidas en el experimento de secado.
Notación en gráfica Descripción de la variable física Unidad
Radiación Solar Radiación Solar W/m2
TAmb Temperatura ambiente local del aire °C
RHAmb Humedad relativa del aire ambiental %
TE Temperatura a la entrada de la cámara de secado °C
TS Temperatura a la salida de la cámara de secado °C
RHE Humedad relativa del aire a la entrada de la cámara de secado %
RHS Humedad relativa del aire a la salida de la cámara de secado %
vE Velocidad del aire a la entrada de la cámara de secado m/s
vS Velocidad del aire a la salida de la cámara de secado m/s
Wp Humedad en base húmeda del producto %
Cabe resaltar que la última variable de la Tabla 4 no fue mostrada en la Ilustración 40. Esto se debe
a que esta variable física no es adquirida directamente en campo sino a través de diferentes
muestras del producto que son analizadas en las instalaciones de la Universidad de los Andes.
Es importante definir una metodología para la recolección de las muestras de producto de manera
estándar y representativa. Es natural que las capas superiores de producto se sequen más rápido
que las inferiores. Esto implica un problema porque se pueden medir humedades que no sean
representativas del proceso de secado. Es por esto que se propone mezclar el producto antes de
cada muestreo de humedad. Esto permite tomar producto de todas las condiciones de humedad y
así tener una muestra representativa del proceso. Ahora bien teniendo esta información en cuenta
se puede desarrollar el plan experimental con base en los pasos sugeridos por Kuehl (18).
6.2.1 Características experimentales Las características experimentales se enfocan en despiezar el experimento en una lista de rasgos
básicos. Este desacople de características básicas permite que se puedan caracterizar como
variables de entrada, de salida o parámetros experimentales. Y de esta forma lograr armar el
diagrama de bloques presentado en la siguiente sección. Además permite develar su naturaleza de
control, rango y tipo. Esta información permite empezar a organizar de una manera más robusta la
36
lista de equipos e instrumentos necesitados para la medición de cada variable como se muestra en
la Tabla 5.
Tabla 5. Tabla de características del experimento
Característica experimental Controlable Tipo de Característica Rango
Radiación Solar No Variable 0-1400W/m2
TAmb Local Histórica No Variable 9-35°C
RHAmb No Variable 0-100%
TE No Variable 9-55°C
TS No Variable 9-55°C
RHE No Variable 0-100%
RHS No Variable 0-100%
vE Si Parámetro 0-6m/s
vS Si Parámetro 0-6m/s
Wi Si Parámetro ~45%
Wf No Variable 10-25%
6.2.2 Tratamientos Los tratamientos de este experimento se refieren a los cambios realizados al secador propuesto por
Porras (9). Estos son los cambios propuestos en la parte de control del flujo que directamente se
refiere a la reducción del diámetro hidráulico. Cabe resaltar que la modificación de difusión de flujo
a la entrada se presenta para ambos secadores por lo tanto no es un tratamiento. Mientras que la
reducción del diámetro hidráulico se aplica solo a un secador. Es decir que solo se mide el efecto de
la reducción del diámetro en el proceso de secado porque ambos secadores tendrán un sistema de
difusión del flujo instalado. Este experimento requiere un tratamiento de control que es un secador
sin ningún tipo de tratamiento. Es decir un secador sin ninguna reducción en su área transversal.
Este tratamiento de control es importante porque permite evidenciar si las modificaciones
presentan o no cambios significativos en el proceso actual.
6.2.3 Montaje físico. Con base en la Tabla 5 se puede seleccionar de manera adecuada los instrumentos de medición
pertinentes para este experimento que se presentan en la Tabla 6. Esta contiene información
discretizada para cada variable física relacionada en el experimento. Es importante ver que esta
tabla es el resumen del experimento pues tiene en cuenta toda la información reportada en
secciones anteriores. En este punto es importante también fijar los tiempos que dura cada réplica
como la frecuencia de muestreo indicada para el experimento. Estos tiempos se ajustan a la
naturaleza del proceso de secado y las frecuencias se ajustan al instrumento de medición. Por
ejemplo, para esta aplicación específica sería ideal instrumentar los secadores de tal manera que se
pueda contar con la información de todas las variables a lo largo del tiempo. Sin embargo existen
37
equipos que no presentan memoria de datos o que son de alta demanda dentro de la Universidad
y es necesario acoplarse a esos detalles.
Tabla 6. Selección de instrumentos de medición
Variable Física Localización dentro del montaje
Instrumento de medición dT (s) Durac. Exp.
Resolución Rango del
instrumento Incert.
Radiación Solar
Campo Abierto
Estación meteorológica CASELLA 300
3 días
9 μv/W/m2
0-2800 W/m2
4,5 μv/W/m2
TAmb Campo Abierto
Estación
meteorológica
CASELLA 300
3
días 1°C -20°C-70°C 0,5°C
RHAmb Tejado de la casa
Estación
meteorológica
CASELLA 300
3
días 5% 0%-100% 2,50%
TE Entrada Termo-Higrómetro 300
3
días 1°C -20°C-70°C 0,5°C
TS Salida Termo-Higrómetro 300
3
días 1°C -20°C-70°C 0,5°C
RHE Entrada Termo-Higrómetro 300
3
días 5% 0-100% 2,50%
RHS Salida Termo-Higrómetro 300
3
días 5% 0-100% 2,50%
vE Entrada
Termo-anemómetro de hilo caliente 1
5 min
0,01 m/s 0,2-5 m/s 0,005 m/s
vS Salida
Termo-anemómetro de hilo caliente 1
5 min
0,01 m/s 0,2-5 m/s 0,005 m/s
Wp Laboratiorio Uniandes
Balanza de humedad 12 h
3 días
0,01% 0-100% 0,01%
6.2.4 Estructura del experimento Esta estructura representa el experimento como una caja con entradas, parámetros y salidas, tal
como muestra la Ilustración 41. En esta imagen se logra ver cuatro bloques. El bloque central
representa el experimento que es como una caja negra en la no se sabe que ocurre con certeza. A
la izquierda se puede ver un bloque que representa las variables de entrada del experimento. Estas
variables son las funciones que excitan el sistema. Es decir que son las responsables de los cambios
que se presentan en las respuestas del sistema físico. Estos cambios pueden ser físicos, químicos,
de comportamiento, etc. Para esta aplicación puntual solamente se esperan cambios físicos en la
38
salida del sistema. Estas variables de entrada pueden ser controladas o no controladas; depende de
la naturaleza de cada variable. Coincidencialmente para este experimento las variables de entrada
son todas no controladas y de naturaleza aleatoria.
Ilustración 41. Diagrama de bloques del montaje
Siguiendo con los bloques se encuentra en la parte inferior un bloque que encierra los parámetros
del sistema. Estos parámetros son características experimentales fijadas por el experimentador. Su
característica principal es que se mantienen constantes a lo largo de todo el experimento o en las
réplicas. Ayudan a generar experiencias comparables entre sí, pues fijan ciertas características que
afectan directamente el comportamiento de las variables de salida. Solo falta por describir el bloque
de la derecha que encierra las variables de salida. Estas variables contienen la información más
importante para el experimentador pues reflejan si los parámetros fijados con las variables de
entrada ejercen un efecto significativo en la respuesta del sistema.
6.2.5 Procedimiento experimental El experimento inicia con una muestra de producto humectado a una humedad cercana al 45% en
base húmeda. Después el producto se ubica en las bandejas de secado en los dos secadores. Aun
cuando la humedad entre réplicas no sea la misma, debe ser la misma para cada réplica
independiente. Es decir que para cada experiencia el producto debe iniciar el proceso con la misma
humedad de manera que los tratamientos sean comparables. Se explicó en la sección de
tratamientos que uno de los dos secadores es de control. Este secador no sufrirá ningún tipo de
modificación aerodinámica dentro su área transversal. Este tratamiento de control permite
determinar cuál es el efecto de las modificaciones propuestas en la cinética del secado. A partir de
este momento se deja el producto dentro del secador por un periodo de 3 días. Este periodo de
tiempo se escoge teniendo en cuenta las experiencias anteriores por Porras y Gómez pues ellos usan
este tiempo como base. Se recogerá una muestra de producto cada 12 horas tanto a la entrada
como a la salida de ambos secadores. Estas muestras se almacenarán en unos tubos de Eppendorf
de 2 ml. Los cuáles serán llenados completamente para evitar posibles humectaciones del producto
por el aire que pueda quedar atrapado en los tubos. Finalmente estos tubos son llevados al
laboratorio con el fin de determinar su humedad por medio de la balanza de humedad.
Es importante recopilar información durante el experimento tanto de la temperatura del aire como
de la velocidad del mismo dentro y fuera del ducto con el fin de validar los cálculos realizados para
la adquisición del ventilador. También estos valores servirán para comparar el desempeño de las
propuestas durante el experimento. Se espera que se presenten ciertas diferencias entre el
39
funcionamiento de uno y de otro dadas las diferencias geométricas que se indujeron a manera de
mejora dentro de un secador.
Es importante tener en cuenta que la medición de la radiación solar se realiza con el mismo
instrumento para los dos secadores. La radiación se considera la misma para ambas máquinas
puesto que una está al lado de la otra gracias a la traslación de uno de los dos secadores que se
encontraba en la parte posterior de los predios donde se realiza el experimento.
Ahora bien es necesario realizar réplicas para este experimento con el fin de validar los datos
obtenidos. De manera más profunda se busca una caracterización del proceso de secado en
términos de la energía total recibida contra la humedad perdida. Se fijan 3 réplicas de este
experimento.
Finalmente se aclarara que la medición de la velocidad del aire dentro del ducto resulta muy
complicada a lo largo de todo el experimento razón por la cual se mide una sola vez y se considera
constante durante todo el experimento.
6.2.6 Procesamiento de datos Estas variables de salida generalmente son reportadas como resultados que son comparados con
los obtenidos a través de los tratamientos de control y de esta forma se determina si existen
diferencias o no entre un proceso y otro.
Todas las integrales requeridas dentro del procesamiento de datos se reducen a una sumatoria ya
que los datos son unos conjuntos discretos que representan una función continua. Por ejemplo
dentro de los resultados requeridos para la comparación de los procesos es necesario calcular la
energía recibida por los secadores. Esta energía está expresada por unidad de área y se obtiene
como una integral.
Finalmente en el capítulo de Análisis de resultados se requiere de un tratamiento estadístico a los
datos. Este tratamiento está explicado con detalle en el ANEXO A. Los tratamientos estadísticos son
requeridos porque permiten establecer o descartar relaciones y tendencias entre variables.
40
7 Análisis de resultados Los resultados experimentales proporcionan una gran cantidad de información. Para la comodidad
del lector se presentará en este capítulo tanto los resultados experimentales obtenidos como el
análisis de estos mismos. Entonces este capítulo se divide en secciones que recopilan grupos de
información de la misma naturaleza.
Esta sección reporta las tres réplicas logradas y un experimento de verificación que completan 4
experiencias de secado del producto. En otras palabras La experiencia 1 hace referencia al
experimento, la experiencia 2 hace referencia a la réplica 1, la experiencia 3 hace referencia a la
réplica 2 y la experiencia 4 hace referencia al experimento 2.
7.1 Perfil de velocidad Uno de los objetivos de este proyecto es desarrollar un flujo uniforme a lo ancho de toda la placa
colectora. Para esto se construyó el difusor que esparce flujo de aire en toda la sección transversal
de entrada a la cámara de colección. Este cambio se mide por medio del perfil de velocidades a la
salida del difusor. Como se puede ver en la Ilustración 42 se reportan velocidades mayores a cero
en cada diferencial de área. Los números dentro del cada diferencial hacen referencia a la magnitud
de la velocidad. Las dimensiones de los diferenciales se encuentran en las cotas mostradas en la
ilustración.
Este perfil de velocidades resulta tener una distribución muy parecida para ambos secadores. La
velocidad media se calcula como muestra la Ecuación 24 y debería ser la velocidad de diseño, es
decir V=2 m/s. Sin embargo se presenta una velocidad menor a la de diseño para ambos secadores
(ver Ecuación 25 y Ecuación 26. VSO hace referencia a la velocidad de secador original y VSM hace
referencia a la velocidad del secador modificado). Esto se debe a que el modelo de pérdidas utilizado
resulta subestimar la carga que el secador impone al ventilador. Esta resulta ser una velocidad
menor a la de diseño y claramente no satisface los requerimientos propuestos, a pesar de este
problema se decide seguir adelante con el experimento pues el nivel de ventilación es aceptable
para los propósitos de estudiar las modificaciones del patrón de flujo.
∑𝑉𝑑𝐴
𝐴= 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 Ecuación 24
𝑉𝑆𝑂 = 0,743𝑚/𝑠 Ecuación 25.
𝑉𝑆𝑀 = 0,725 𝑚/𝑠 Ecuación 26.
Ilustración 42. Perfil de velocidad a la salida del difusor
41
Este perfil de velocidades presentado a la salida del difusor no concuerda con el comportamiento
observado justo después de la cámara de colección pues el anemómetro reporta una velocidad nula.
Este comportamiento se explica por la alineación del viento de la zona pues resulta que el viento
sopla en sentido contrario a la alineación de los secadores y se mete por la chimenea obstruyendo
el flujo de aire dentro del secador. Razón por la cual se modifica la salida de la chimenea para que
el viento no tuviera influencia y se repite el experimento.
7.2 Cinética de secado La cinética del secado es la pérdida de agua en función del tiempo. Esta permite comparar los
resultados entre los tratamientos y el control para cada experiencia. Cabe resaltar que no es
correcta la comparación directa de cinéticas de secado de experimentos diferentes porque la
radiación solar no es la misma para todos (ver Ilustración 43,Ilustración 44 e Ilustración 45).
Ilustración 43. Cinética del secado experiencia 1.
Ilustración 44. Cinética del secado experiencia 2.
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
Mañana 1 Tarde 1 Mañana 2 Tarde 2 Mañana 3 Tarde 3
Día 1 Día 2 Día 3
Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[b
h]
Experimento (15-17/05/2014)
Sección Transversal Original Entrada Sección Transversal Original salida
Sección Transversal Modificada Entrada Sección Transversal Modificada Salida
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
Mañana 1 Tarde 1 Mañana 2 Tarde 2 Mañana 3 Tarde 3
Día 1 Día 2 Día 3Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[b
h]
Réplica 1 (18-20/05/2014)
Sección Transversal Original Entrada Sección Transversal Original salida
Sección Transversal Modificada Entrada Sección Transversal Modificada Salida
42
Ilustración 45. Cinética del secado experiencia 3.
De acuerdo con el plan se realizaron 3 repeticiones del experimento. Las tres réplicas inician en
valores de humedad muy cercanos. Esto es favorable porque se legitima su comparación. Cabe
resaltar que la comparación se debe realizar por separado para cada réplica. Por ejemplo para la
experiencia 1 (ver Ilustración 43) todas las muestras inician en un valor cercano al 44% y finalizan el
proceso en un valor aproximado de 25%. De manera parecida ocurre con la experiencia 3 (ver
Ilustración 45). Este comportamiento se ve un poco diferente para la experiencia 2 (ver Ilustración
44). Todas las muestras empiezan en un valor de contenido de humedad muy parecido pero el
efecto de la humectación nocturna 1 presenta caminos diferentes en comparación con el secador
modificado.
Se presenta un efecto importante pero inesperado para el secador modificado. Si se miran las
gráficas con detenimiento se puede observar que el proceso modificado no presenta humectación
nocturna como sí lo hace el proceso original. Esta humectación es común en los experimentos de
secado logrados por Gómez (4) y por Porras (9) y se debe al aumento de la humedad relativa del
aire dentro del secador en horas nocturnas. Básicamente el agua contenida en el aire se condensa
y humecta en horas de la noche el producto perdiéndose de cierta forma el trabajo realizado en el
día. Desde esta perspectiva es importantísimo este desarrollo accidental. Se puede explicar desde
la base que el orientador de flujo instalado representa una resistencia a la transferencia de calor
hacia el ambiente en horas nocturnas.
Finalmente es importante ver que se logra contenidos de humedad muy parecidos entre el final del
segundo día y al final del tercer día. Se puede hablar de una reducción del tiempo del proceso de
1 Humectación nocturna: Es el comportamiento mostrado por el producto en el cual se aumenta el contenido de humedad en horas de la noche.
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
Mañana 1 Tarde 1 Mañana 2 Tarde 2 Mañana 3 Tarde 3
Día 1 Día 2 Día 3
Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[b
h]
Réplica 2 (21-23/05/2014)
Sección Transversal Original Entrada Sección Transversal Original salida
Sección Transversal Modificada Entrada Sección Transversal Modificada Salida
43
secado de un día lo que equivale a una tercera parte del tiempo total incial. Es decir se logró reducir
el tiempo de secado aproximadamente un 30%.
7.3 Radiación Solar La radiación solar tiene una naturaleza aleatoria e intermitente (ver Ilustración 46, Ilustración 47 e
Ilustración 48). En otras palabras lo único que se puede predecir con plena certeza es que se tienen
12 horas de radiación en un día de 24 horas para estas latitudes. La variación de la radiación solar
durante el día depende de muchos factores; por ejemplo, la nubosidad afecta la magnitud de
radiación que se recibe y las nubes tienen un comportamiento muy dinámico.
La radiación es la responsable de los cambios de temperatura del aire ambiental. Además es la
encargada de aumentar la temperatura de la placa y por ende del aire de secado y la disminución
de la humedad relativa dentro del ducto. Es importante observar que se pueden encontrar algunos
puntos con valores mayores a 1353 W/m2 (19) que es la constante solar (ver Ilustración 47). Esto se
debe a que la medición fue realizada con un instrumento ligeramente descalibrado. Esta pequeña
descalibración se puede constatar en horas de la noche, para los cuales presenta valores mayores a
cero en horas donde el sol no se encuentra en el firmamento. Como se puede inferir por todas las
gráficas de radiación, Pasca presenta un clima bastante variable. Las nubes tienen un
comportamiento muy dinámico y afectan la radiación recibida.
Ilustración 46. Radiación solar total horizontal experiencia 1.
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Experimento (15-17/05/2014)
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Ilustración 47. Radiación solar total horizontal experiencia 2.
Ilustración 48. Radiación solar total horizontal experiencia 3.
7.4 Temperatura La temperatura del aire es una variable que depende directamente de la radiación solar aunque
también depende de las propiedades de absortividad a la radiación solar del suelo y superficies
cercanas y es muy sensible a los pequeños cambios (ver Ilustración 49, Ilustración 50 e Ilustración
51). Se puede ver que la temperatura del aire presenta una forma parecida a la de la radiación. Sin
embargo esta forma se parece mucho más cuando se analizan los datos tomados dentro de los
secadores.
La temperatura dentro y la temperatura fuera de los secadores guardan una relación de ampliación.
Es decir si se compara cada curva de temperatura con la curva de temperatura ambiental se puede
ver una relación de amplificación de la señal en horas del día. Los pequeños cambios que ocurren
en la señal de temperatura ambiental se ven magnificados en las señales de temperatura interna de
los secadores.
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Réplica 1 (18-20/05/2014)
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Réplica 2 (21-23/05/2014)
45
Ilustración 49. Temperatura del aire experiencia 1.
Ilustración 50. Temperatura del aire experiencia 2.
Las señales de temperatura registradas a la entrada del secador modificado como las del secador
original casi que se traslapan una sobre la otra. De manera similar ocurre a la salida de ambos
secadores. Sin embargo sí se puede notar una pequeña cercana a los 10°C diferencia entre la señal
de entrada y la señal de salida. Esta diferencia es de esperarse pues el punto de entrada tiene mayor
cercanía con la placa de colección que es la zona más caliente de todo el secador y por ende el aire
más caliente se debe encontrar a la entrada de los secadores. Comparativamente se puede decir
que los secadores no discrepan.
Es importante hacer notar que se presentan aumentos en la temperatura de casi 3 veces en escala
Celsius en comparación con la temperatura ambiente. Este efecto se logra gracias a la zona de
colección que presenta condiciones adecuadas para absorber energía. Estos incrementos de
temperatura potencian el secado del producto por el efecto que logra la humedad relativa.
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Experimento (15-17/05/2014)
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Réplica 1 (18-20/05/2014)
Entrada Original Salida Original Entrada Modificado
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46
Ilustración 51. Temperatura del aire experiencia 3.
7.5 Humedad relativa del aire La humedad relativa es una propiedad de mezclas de gases que mide la cantidad de vapor de agua
contenida en el aire seco. Esta siempre oscila entre 0% y 100% donde 100% quiere decir que no
puede contener más agua. Las humedades relativas reportadas para estas experiencias se muestran
en la Ilustración 52, Ilustración 53 e Ilustración 54.
La humedad relativa cambia con la temperatura y la presión. Como las experiencias se realizaron a
presión atmosférica constante lo único que afecta la humedad relativa es la temperatura. En la
medida en que la temperatura aumenta la humedad relativa disminuye. Es decir que aire a alta
temperatura tiene mayor capacidad de incorporar agua. Esta condición se reporta en horas del día
dentro de los secadores. Se puede ver como se alcanzan valores cercanos al 20% a partir de las 10
horas. Desde este momento se goza de entre 6 y 8 horas de humedad relativa favorable. Esta se
mantiene casi constante hasta las 18 horas cuando el sol se esconde y la temperatura del aire decae.
En este momento se muestra un aumento en la humedad relativa durante las horas de la noche.
Razón que explica la humectación del producto en horas nocturnas.
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Réplica 2 (21-23/05/2014)
Entrada Original Salida Original Entrada Modificado
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Ilustración 52. Humedad relativa del aire experiencia 1.
Los efectos del incremento de la temperatura dentro de los secadores son considerables en
comparación con la humedad ambiental. Para las tres experiencias la humedad relativa fluctúa en
valores cercanos a 80% y su comportamiento tiende a ser constante. En cambio dentro de los
secadores se presentan grandes variaciones en periodos no mayores a 2 horas.
De manera análoga a la temperatura se ve cómo las señales de entrada se diferencian entre ellas
mientras que las de salida presentan un comportamiento más parecido. También se encuentra una
pequeña diferencia entre la entrada y la salida. Diferencia que se explica de la misma forma que la
temperatura. Además al ser la humedad relativa función de la temperatura en ocasiones la
diferencia se ve de manera más marcada.
Ilustración 53. Humedad relativa del aire experiencia 2.
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Réplica 1 (18-20/05/2014)
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Ilustración 54. Humedad relativa del aire experiencia 3.
El efecto de humectación nocturna se puede explicar desde una perspectiva de humedad relativa.
Se logran estados de humedad en horas nocturnas cercanas al 100%. Este estado promueve la
absorción de agua en horas de la noche. Este comportamiento se ve recurrente en experimentos
realizados en trabajos anteriores. Las curvas de humedad relativa muestran la contundencia de los
secadores en comparación de realizar el proceso de secado a la intemperie.
7.6 Comparación directa de desempeño Como se mostró en la sección de cinética de secado es incorrecto comparar las cinéticas de secado
de experiencias diferentes. Lo anterior se debe a que la radiación solar no es la misma para todas
las experiencias. Entonces no se pueden comparar directamente porque hay días con más radiación
que otros. Sin embargo, si se habla en términos energéticos y no en términos de radiación, la
comparación sí se puede hacer. Se sabe que la energía solar recibida se calcula como muestra la
Ecuación 27 donde t es el tiempo, G es la radiación solar y ESA es la energía solar acumulada.
Entonces se puede relacionar la energía recibida por el producto a medida que pasa el tiempo.
∫ 𝐺𝑑𝑡𝑡
𝑜
= 𝐸𝑆𝐴(𝑡) Ecuación 27.
La Ilustración 55 muestra la comparación de los procesos a la entrada. Esta imagen recopila la
información de la pérdida de contenido de humedad para el secador original y modificado de las
tres experiencias. Otro aspecto diferenciador es el valor final de la humedad del producto, entre
este y el valor inicial se puede trazar una línea recta que tiene una pendiente. Existen dos tipos de
pendientes para analizar: la pendiente general que se observa desde el punto de inicio y el punto
final. La otra pendiente es la pendiente local que se forma entre puntos de cada línea. Al comparar
la pendiente general de los procesos modificados con los procesos originales se espera una
pendiente diferenciada pero se observa lo contrario. Las pendientes tienden a ser muy parecidas.
Este comportamiento indica que no existen diferencias significativas entre los dos procesos en el
largo plazo. Eventualmente los dos secadores secan el producto.
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Réplica 2 (21-23/05/2014)
Entrada Original Salida Original Entrada Modificado
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49
Ahora bien, si se analizan las pendientes locales se puede encontrar un poco más de información.
La primera característica importante para tener en mente es que a medida que se retira agua del
producto resulta más difícil retirar más. Es decir que se requiere más energía para retirar la misma
cantidad de agua. Este proceso se comporta de manera exponencial y en la medida en que las
pendientes locales siguen este comportamiento el proceso es más adecuado porque evita la
humectación del producto. Esta característica se observa muy bien en la Ilustración 56 para todos
los procesos modificados.
Ilustración 55. Comparación directa de los procesos de secado a la entrada.
Ilustración 56. Comparación directa de los procesos de secado a la salida.
Cuando se compara las pendientes locales de todos los procesos de la entrada con la salida se puede
ver que la entrada sigue una distribución casi lineal. Es decir que casi no hay diferencia entre las
pendientes locales. Lo anterior sugiere que no importa si en la entrada existe o no existe
modificación los resultados obtenidos serán muy parecidos. Caso contrario en la salida donde las
pendientes locales tienden a diferenciarse los primeros días pero al final convergen al mismo valor.
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Energía solar acumulada [MJ/m^2]
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Exp 1 Modificada Exp 2 Modificada Exp 3 Modificada
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25%
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Hu
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]
Energía solar acumulada [MJ/m^2]
Salida
Exp 1 Original Exp 2 Original Exp 3 Original
Exp 1 Modificada Exp 2 Modificada Exp 3 Modificada
50
Esto sugiere que si se ubican bandejas con producto a la salida del secador modificado se tendrán
mejores resultados en plazos cortos pero al final el producto converge a un valor. Es decir el secador
original requiere de más energía para llegar a los mismos contenidos de humedad.
Este comportamiento resulta inesperado. Se espera que la zona más de la entrada caliente con
menor humedad relativa sea la que tenga este comportamiento. Sin embargo se observa que el
comportamiento a la salida del secador resulta más favorable que a la entrada. Como se observa
existe un estancamiento de la velocidad del flujo de aire se sospecha que la cercanía a la chimenea
de la salida permita un camino más adecuado para renovar el aire que el que se tiene disponible a
la entrada. También se puede argumentar que el aire se mezcla a lo largo de la zona de diámetro
reducido progresivamente y, por lo tanto, al final del ducto está más caliente y seco mejorando el
proceso de secado para el material de la bandeja a la salida. Sin embargo no se tiene evidencia
contundente que soporte o refute estos argumentos.
Lo que sí es un hecho es que el aire presenta un estancamiento que afecta el proceso pues la idea
es generar un flujo sobre las bandejas con producto. Razón por la cual se realiza un estudio
estadístico relacionado con este tema.
7.7 Estudio estadístico de la magnitud y dirección del viento Los resultados sugieren una mejora pero no son contundentes en la forma de diferenciar un proceso
y otro. Tampoco son concluyentes en el modo contrario. Es decir tampoco rechazan de manera
contundente la tesis de una eventual mejora al proceso. Se sospecha que el viento tiene un efecto
significativo dentro del proceso de secado ya que la sección transversal de la salida de las chimeneas
es perpendicular al viento.
En el montaje de los secadores no se tuvo en cuenta la alineación geográfica. Simplemente se
acomodaron en el lugar más adecuado que se disponía dentro del predio. La alineación de los
secadores es N-45°-E. Los proyectos desarrollados hasta ahora no tuvieron la oportunidad de medir
la magnitud ni la dirección del viento por falta de equipos. Sin embargo Porras (9) notó que el viento
estaba entrando por la chimenea del secador. A partir de este proyecto se cuenta con una estación
meteorológica que tiene la capacidad de medir el viento cada 5 minutos.
Los resultados encontrados son muy variables. Entonces se realiza un estudio estadístico de los
datos para determinar la alineación media del viento como la magnitud media del mismo. Estos
resultados indican que el viento en promedio se alinea con los secadores y que sopla en sentido
contrario con una magnitud cercana a 1m/s. Para entender mejor los resultados la Ilustración 57
muestra un esquema de la disposición del secador (rectángulo en la ilustración). La flecha roja indica
el flujo forzado desarrollado en este proyecto. La flecha verde muestra esquemáticamente la
dirección promedio del viento. Efectivamente se encontró que el viento sopla en contra de la
dirección del flujo forzado con una magnitud cercana a la medida a la salida del difusor. Lo anterior
podría ser la razón por la cual se medían velocidades imperceptibles por los instrumentos
disponibles a la entrada de la cámara de secado.
Se planea desarrollar un análisis de varianza de dos factores para la información del secador
relacionada con la magnitud del viento y otro para la dirección. Se encuentra que estadísticamente
la magnitud del viento no presenta diferencias significativas en el proceso de secado. Por otro lado
se encuentra que la dirección del viento presenta diferencias significativas en los procesos de
51
secado. Es decir, que cuando el promedio de alineación del viento coincide con la alineación del
flujo el proceso tiene un comportamiento diferente a cuando no coinciden (ver ANEXO A).
Ilustración 57. Esquema de la disposición de los secadores y la dirección promedio del viento.
Este hallazgo exige una modificación extra a la salida de las chimeneas. El cambio consiste en un la
extensión del ducto para que el viento no ingrese por esta área. Con esta extensión instalada se
planea realizar un nuevo experimento para determinar si el viento afecta el proceso.
7.8 Experimento 2: Modificación de las chimeneas Los resultados obtenidos en los análisis de varianzas de dos vías de la sección pasada sugieren
entonces una modificación última a ambos secadores. De manera tal que la acción del viento tenga
un efecto nulo dentro del proceso de secado. La idea es generar una modificación de la alineación
de la sección transversal de la chimenea. Es decir, actualmente se encuentra enfrentada
directamente al viento, razón por la cual se están presentando anomalías en el proceso de secado.
Si se ubica la sección transversal de la chimenea paralela al flujo del viento, el efecto de la dirección
del viento debe anularse. Se considera esta experiencia como un experimento diferente porque la
geometría del secador ha sido modificada, por lo cual no es una réplica sino un experimento.
La Ilustración 58 muestra esquemáticamente la modificación realizada a las chimeneas. Al poner la
sección transversal paralela al flujo del viento se evita que este aire indeseado se introduzca dentro
del secador y genere efectos de estancamiento del flujo interno de aire. Con esta modificación, los
resultados reportados reflejan únicamente los efectos de las modificaciones aerodinámicas
realizadas dentro del secador.
52
Ilustración 58. Izquierda: Situación esquemática actual de la chimenea. Derecha: Situación esquemática modificada de la chimenea.
7.8.1 Diseño y manufactura El diseño de esta última modificación es muy simple. Sin embargo implica un problema adicional: al
modificar la dirección del área de salida es necesario montar un techo que evite que el agua ingrese
al secador en caso de lluvia. Este detalle exige una estructura de la cual se pueda aferrar la cubierta
del secador. Aprovechando esta estructura se puede ubicar plástico de invernadero sobre ella de
manera que el plástico sea la pantalla que evita que el viento ingrese.
La Ilustración 59 es una fotografía del estado en el que recibieron las chimeneas. Se observa que la
salida está enfrentada al viento que sopla en el sector. La manufactura de la pantalla resulta en un
proceso muy corto y se logra con platinas de aluminio y listones de madera MDF. Por su parte la
cubierta es realizada con pliegos de lámina de polipropileno alveolada. La manufactura de esta
pantalla con su cubierta resulta un proceso muy simple. De hecho fue necesario que así fuera porque
el tiempo disponible para este experimento fue muy corto. La Ilustración 60 muestra el resultado
de manufactura de esta modificación. Esta imagen muestra como toda la sección transversal previa
está cubierta por la pantalla desarrollada. Esta modificación evita completamente la entrada
indeseada del viento y permite desarrollar la experimentación respectiva.
53
Ilustración 59. Chimeneas en estado previo a la modificación.
Ilustración 60. Montaje de las modificaciones a las chimeneas.
7.8.2 Velocidad dentro del flujo Esta modificación despeja una duda generada en experiencias anteriores por el efecto del viento. A
la salida del difusor se mide una velocidad cercana a 0,7 m/s pero aguas abajo se reportan
velocidades aparentemente nulas. Una vez se realiza la modificación se procede con la medición del
perfil de velocidades dentro del ducto y se observan dos cosas interesantes: la primera tiene relación
con la distribución de velocidades pues en el difusor el perfil es asimétrico pero en la entrada de la
cámara de secado el perfil de velocidad es más uniforme. La segunda es que la velocidad del secador
modificado es más alta que el secador original. Esto se debe a que la modificación reduce el área
transversal en la cámara de secado. La Tabla 7 muestra las velocidades medias medidas en la salida
de la cámara de secado con su respectivo número de Reynolds.
Tabla 7. Velocidad media salida de cámara de secado.
Tipo de secador Velocidad [m/s] ReD
Original 0,362 4.6 e3
Modificado 0,416 5.3 e3
54
Estos números de Reynolds computados en el diagrama de Moody (20) tipifican un régimen de
transición para los dos secadores. Este régimen no es el más adecuado para la transferencia de calor.
De hecho fue el mismo régimen medido por Gómez (4) durante su proyecto de grado. Para
aumentar este número de Reynolds el único parámetro que puede ser modificado es la velocidad
media del flujo de manera tal que se pueda pasar a operar en un régimen turbulento.
Finalmente es importante analizar el comportamiento de la humectación nocturna desde el punto
de vista de la velocidad. La velocidad del viento en horas de la noche tiende a cero y se mantiene
constante durante este periodo. Si el efecto de la ventilación se activa en horas nocturnas y la
humedad relativa del aire es menor a la humedad de equilibrio con el producto en ese momento en
particular se puede secar el producto en la noche.
7.8.3 Resultados experimentales y análisis de resultados De manera análoga se presentan los datos experimentales del segundo experimento de este
proyecto. Además se presenta en seguida el análisis respectivo de los datos obtenidos en el
experimento 2. Se presentan divididos por la naturaleza de las variables medidas.
7.8.3.1 Radiación Solar
Los días de esta experiencia fueron muy soleados (ver Ilustración 61). Se observa que dos de los tres
días del experimento se alcanzaron valores muy cercanos a la constante solar. Se sabe que el
instrumento tiene un problema de calibración del piranómetro pero es una incertidumbre que se
considera pequeña comparada con otras incertidumbres de la medición. Se observa una variación
altísima en los valores de radiación. Se pueden medir cambios de casi 800 W/m2 en un tiempo de 5
minutos. Este comportamiento es parecido con los reportados en la sección anterior de radiación
solar y se explica por las condiciones meteorológicas del momento que tendrían que ver con los
ciclos de periodos húmedos y secos, incluso con el fenómeno de EL Niño que se experimenta por
estos días.
Ilustración 61. Radiación Solar experiencia 4.
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Experimento 2 (17-19/06/2014)
55
7.8.3.2 Temperatura
Se puede ver que los datos de temperatura (ver Ilustración 62) siguen mostrando un parámetro
parecido con las experiencias anteriores. En donde las curvas se traslapan entre sí. Las eventuales
diferencias que se observan entre curvas se pueden explicar desde la perspectiva de la zona de
muestreo. Es lógico que el histórico de temperatura a la salida sea menor que la de la entrada,
puesto que este es el punto más alejado del secador en comparación con la cámara de colección.
Ilustración 62. Temperatura experiencia 4
7.8.3.3 Humedad relativa
Ilustración 63. Humedad relativa experiencia 4.
Los resultados de humedad (ver Ilustración 63) muestran de manera análoga un comportamiento
conveniente para el proceso de secado en horas de la mañana. Un factor que es recurrente en todos
los resultados de humedad relativa y del cual no se ha hablado es del comportamiento en horas
nocturnas. Se puede ver que comportamiento de la humedad ambiental es mejor
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Experimento 2 (17-19/06/2014)
Entrada Original Salida Original Entrada Modificado
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Experimento 2 (17-19/06/2014)
Entrada Original Salida Original Entrada Modificado
Salida Modificado Ambiente
56
comparativamente hablando que el del interior de los secadores. Razón por la cual resultaría
interesante desarrollar un sistema de control que optimice este aspecto.
7.8.3.4 Cinética de secado
Ahora bien se procede a presentar los resultados de cinética de secado (ver Ilustración
64). Los cuales teniendo en cuenta la última modificación realizada presentan un comportamiento
recurrente durante todo el proyecto. Se esperaba una tendencia más diferenciada entre el proceso
modificado y el proceso original. Sin embargo la cinética del secado no cambio sustancialmente. De
hecho muestra que el proceso original es más agresivo durante las horas de sol del primer día.
Este experimento resulta interesante porque se confirma la mejora descubierta en la reducción de
30% en el tiempo de secado. El comportamiento de la reunión de los puntos al final de la tarde 2 se
ha visto antes en las cinéticas de experiencias pasadas. Parece ser que el efecto de la reducción
resulta en la no hidratación del producto en la noche. Pero no es claro si esta modificación mejora
de manera contundente el proceso en horas de sol (ver Ilustración 64).
Ilustración 64. Cinética de secado experiencia 4.
Resulta contradictorio entonces pensar que el estudio estadístico indica que hay diferencias y
cuando se corrigen los resultados dan muy parecidos. Por un lado la muestra adquirida es de solo 3
experimentos lo cual no es una muestra representativa. Por otro lado estudios estadísticos
presentan una relación fuerte entre variables que no tienen relación alguna. Estos resultados deben
ser analizados con cuidado pues no son la verdad absoluta del problema.
A manera de inferencia se puede plantear que las placas de colección son insuficientes para este
proceso. Con base en la humedad deseada por el consumidor (15% a 17%) se puede ver que para
mantener la reducción del tiempo lograda en este trabajo se necesita elevar los niveles de
temperatura del aire. Esto quiere decir que hay que otorgarle más energía al aire para que el proceso
de secado alcance valores menores.
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
Mañana 1 Tarde 1 Mañana 2 Tarde 2 Mañana 3 Tarde 3
Día 1 Día 2 Día 3Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[%
]
Experimento 2 (17-19/06/2014)
Sección Transversal Original Entrada Sección Transversal Original salida
Sección Transversal Modificada Entrada Sección Transversal Modificada Salida
57
7.8.3.5 Comparación directa de desempeño
Las comparaciones de los procesos se presentan en la Ilustración 65 e Ilustración 66. Como se puede
ver, de manera global los procesos tienen una pendiente muy similar, ya que inician en un valor
cercano al 42%, y por otro lado terminan en un valor próximo al 20%.Por otro lado es importantísimo
revisar las pendientes locales que se desarrollan por cada día de secado. Claramente, en la medida
en que las pendientes locales son más pronunciadas el proceso de secado es más efectivo.
Ilustración 65. Comparación directa entre los procesos.
Lo cual quiere decir que en la medida en que se extrae humedad del producto la pendiente tiende
a cero. Puesto que la capacidad de ceder agua del producto se ve mermada en la medida en que se
extrae por los fenómenos de desorción. Dado que el producto se humecta en horas nocturnas, este
recupera la capacidad de perder agua en las horas diurnas, este efecto es importante porque se
evidencia un retraso en el proceso en horas de la noche.
Ilustración 66. Comparación directa entre los procesos.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[%
]
Energía Total [MJ/m^2]
Entrada
Exp 4 Original Exp 4 Modificada
0%
10%
20%
30%
40%
50%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Co
nte
nid
o d
e H
um
edad
[%
]
Energía Total [MJ/m^2]
Salida
Exp 4 Original Exp 4 Modificada
58
8 Conclusiones
Se logra una reducción de un tercio del tiempo utilizado para estabilizar los valores de
secado. Mejora lograda gracias a la no hidratación del producto en horas nocturnas.
Se muestra contundentemente que los equipos de ventilación utilizados originalmente
hasta el momento fueron inadecuados porque estaban averiados y su instalación
presentaba muchos problemas operativos. Por ejemplo que el flujo ingresado no estaba
desarrollado ni estaba difundido a lo ancho de la zona de colección. Esto repercute en la
eficiencia del secador pues la energía no se estaba aprovechando de manera efectiva.
Se plantean dos alternativas de solución que son evaluadas en términos energéticos. Una
alternativa de deflectores aerodinámicos que reducía y ampliaba el ducto en la cámara de
secado; y una de reducción constante a lo largo de toda la cámara de secado. Se logró
determinar contundentemente que la alternativa de reducción constante es mejor para la
aplicación específica de los secadores.
Los diseños escogidos para desarrollar la solución propuesta son una solución adecuada
pero presentan ciertos problemas con el montaje de la solución in situ. Sobretodo el forro
del difusor requiere más trabajo para desarrollar un producto más robusto.
Se logra un flujo desarrollado y difundido a lo ancho de la sección transversal de entrada del
secador que mejora la eficiencia de la máquina pues permite aprovechar mejor la energía
absorbida por el colector.
No se alcanza a desarrollar dentro de los secadores la velocidad de diseño por lo tanto
ambos secadores operan en un régimen de transición, lo cual no propicia de manera
adecuada los fenómenos de transferencia de calor.
Se desarrolla un protocolo experimental estandarizado que presenta una base de prácticas
recomendadas para la comparación y caracterización del comportamiento de los secadores
tipo Hohenheim.
Se puede concluir que las diferencias operativas en temperatura y humedad relativa
presentadas por los secadores no son significativas. Experimentalmente esto es muy valioso
pues se presenta un ambiente propicio para realizar experimentos comparativos.
Aun cuando el análisis de varianzas sugiere una correlación importante en el proceso de
secado y la alineación del viento con los secadores, no se puede establecer una relación
casual debido al poco número de datos. Esto se demostró experimentalmente pues el
comportamiento de los secadores no tiene un cambio significativo si el viento se evita el
efecto del viento.
59
Se presenta un efecto colateral que mejora el proceso de secado en términos operativos.
Este no se esperaba pero bien es un resultado muy favorable ya que la modificación evita la
humectación nocturna del producto.
Finalmente se puede inferir que el tamaño de la placa colectora resulta inferior al requerido.
Es necesario suministrar más energía al aire para alcanzar resultados más adecuados con
los requerimientos del comercio en el tiempo propuesto en este trabajo.
60
9 Recomendaciones Se recomienda desarrollar un sistema automático programable de muestreo para que este
proceso se estandarice. Es importante certificar que la muestra tomada por este sistema es
representativa de todas las condiciones de humedad.
Se recomienda mejorar el forro de los difusores pensando en la integridad estructural del
forro y en la degradación por radiación ultravioleta del material utilizado.
Se recomienda reforzar las juntas con soldadura puesto que se evidencio que los remaches
en los difusores fallaron durante el ensamble del sistema de difusión.
Se recomienda realizar réplicas del experimento certificando velocidades dentro del ducto
de entre 1 y 2 m/s pues el número de Reynolds logrado en este proyecto no es el más
indicado para un proceso de transferencia de calor.
Adquirir o desarrollar un instrumento que permita medir la velocidad del aire dentro del
ducto permanentemente a lo largo de las réplicas que se corran en el futuro
Se recomienda desarrollar un sistema de control para los ventiladores de los secadores, de
manera tal que compare la humedad relativa interna con la ambiental y encienda los
ventiladores si las condiciones de humedad son mejores en el exterior. Esto depende del
contenido de humedad del producto en cada momento pues cada contenido de humedad
tiene una humedad de aire de equilibrio por debajo de la cual se produce secado. Por encima
produce humectación. Es posible que lo mejor sea detener completamente la ventilación y
calentar internamente para evitar la condensación de la humedad.
Se recomienda utilizar en horas de la noche la reducción del diámetro hidráulico, bien se
haya o no usado esta reducción en horas de sol, pues los experimentos mostraron que esta
reducción inhibe el proceso de humectación nocturno característico de los procesos de
secado solar.
Se recomienda repetir el estudio estadístico con una muestra de experiencias mayor de
modo que sea una muestra significativa del proceso.
61
10 Bibliografía 1. Valdés Restrepo , Magda Piedad, Ortíz Grisales, Sanín y Sánchez, Teresa. Morfología de la
planta y características de rendimiento y calidad de almidón de sagú. Cali : Universidad Nacional
de Colombia, 2007.
2. Porras, Sebastián. Consturcción y caracterización de un secador solar Hohenheim para el secado
de almidón de achira o sagú. Bogotá : Universidad de los Andes, 2013.
3. CORPOICA. El Almidón de Achira o Sagú (Canna edulis, Ker). BOGOTA : CORPOICA, 2003.
4. Gómez Gonzáles, Edwin. Caracterización del proceso de secado de almidón de sagú en un
secador solar Hohenheim timpo tunel. Bogotá : Universidad de los Andes, 2012.
5. R., José Doria y Cruz de Andrés, M. Psicrometría aplicada al secado. Ingeniería del secado solar.
Barcelona : Subprograma IV: Nuevas fuentes y conservación de la energía, 1992, págs. 4.1- 4-15.
6. Treybal, Robert. Secado. Operaciones de transferencia de masa. Madrid : McGraw-Hill, 2000,
págs. 723-791.
7. chemistrytutorials.org. Chemistry Tutorials. [En línea] [Citado el: 20 de 05 de 2014.]
http://www.chemistrytutorials.org/ct/es/index.php?m=27.
8. Análisis y aplicación de las expresiones del contenido de humedad en sólidos . Martinez, Enrique
y Lira , Leonel . Queretano : Centro Nacional de metrología, 2010.
9. Porras, Juan. Diseño, construcción y caracterización experimental de un secador solar de túnel
tipo Hohenheim de convección forzada. Bogotá : Universidad de los Andes, 2013.
10. UTL. web.ist.utl.pt. [En línea] [Citado el: 22 de 05 de 2014.]
http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/MyPage/psicrometria.htm.
11. JUILONG. Datasheet 33550. Pekin : s.n., 2000.
12. Hnos, Dolz. dolzhnos.com.ar. [En línea] [Citado el: 10 de 02 de 2014.]
http://www.dolzhnos.com.ar/htm/densidad_del_aire.htm.
13. Escuela de Ingeniería de Antioquia. Recursos Hidráulicos. [En línea] [Citado el: 11 de 02 de
2014.]
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/reducci%C3%B3n/reducci%C3%B3
n.htm.
14. Secretaría de agricultura, ganadería, desarrrollo rural, pesca y alimentación. Obras de toma
para aprovechamientos hidráulicos. [En línea] [Citado el: 13 de 02 de 2014.]
http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/noticias/2012/Documents/FICHAS%20TECNICAS%20
E%20INSTRUCTIVOS%20NAVA/FICHA%20TECNICA_OBRAS%20DE%20TOMA.pdf.
15. Osorio, Francisco. Maestría en gerencia de proyectos de construcción . [En línea] [Citado el: 10
de 02 de 2014.]
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mgc/osorio_e_fj/capitulo3.pdf.
62
16. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo España. Ficha técnica PEBD y PEAD.
[En línea] 2014. [Citado el: 29 de 04 de 2014.]
http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/Plasticos/Ficheros/FT
_3_1_A.pdf.
17. CORGRAP. Catalogo de productos. Corgrap Fábrica de grapas. [En línea] [Citado el: 09 de 07 de
2014.] http://www.corgrap.com/producto/grapas/grapa-6472.html?i=17.
18. Kuehl, Robert. Diseño de Experimentos. México D.F : Thomson, 2001.
19. Cengel, Yunnus. Radiación. Transferencia de calor y masa. Barcelona : Mc Graw Hill, 2009.
20. White, Frank. Mecánica de Fluidos. Barcelona : Mc Graw Hill, 2009.
63
11 Anexos
Anexo A: Análisis de varianza para dos factores (ANOVA 2 WAY) Este estudio se realiza para verificar si existen diferencias significativas en los procesos de secado
para velocidades de viento altas o bajas, o si bien la alta alineación. Las tablas ANOVA son
presentadas a continuación.
Entrada Vs Magnitud del viento
Tabla 8. Datos ANOVA Magnitud del viento entrada
Velocidad [m/s]
ORIGINAL ENTRADA
ΔX/Et[%m^2/MJ]
MODIFICADO ENTRADA ΔX/Et[%m^2/MJ]
0,937166
Alta velocidad
0,00401564 0,001787778
0,90212748 0,005818623 0,008299303
0,87478961 0,003481006 0,00504928
0,82179833 0,004533965 0,003029193
0,81078679 0,003973572 0,000864207
0,75602322
Baja Velocidad
0,00625749 0,005513783
0,72852784 0,009798829 0,003381782
0,69147089 0,007022111 0,009457243
0,58697841 0,003639879 0,004779209
Tabla 9. Cuadro ANOVA Entrada Vs Magnitud velocidad
Fuente SC GL CM F F_CRITICO P-Value
Velocidad 2,0469E-05 1 2,0469E-05 1,31419405 6,608 0,30351966
Modificación 2,2609E-06 1 2,2609E-06 0,14516013 6,608 0,71885557
Interacción 1,2691E-07 1 1,2691E-07 0,00814833 6,608 0,9315787
ERROR 7,7876E-05 5 1,5575E-05
Total 0,00010073 8
64
Salida Vs Magnitud del viento
Tabla 10. Datos ANOVA Magnitud de viento salida
Velocidad [m/s] ORIGINAL SALIDA ΔX/Et[%m^2/MJ]
MODIFICADO SALIDA ΔX/Et[%m^2/MJ]
0,937166
Alta velocidad
0,003402774 0,001967674
0,90212748 0,012408891 0,018157265
0,87478961 0,00334581 0,00806239
0,82179833 0,003029771 0,003019947
0,81078679 0,004711712 0,002058506
0,75602322
Baja Velocidad
0,003651281 0,017604527
0,72852784 0,004706026 0,000734013
0,69147089 0,008183851 0,008464366
0,58697841 0,002607229 0,003239834
Tabla 11. Cuadro ANOVA Salida Vs Magnitud velocidad
Fuente SC GL CM F F_CRITICO P-Value
Velocidad 7,793E-08 1 7,793E-08 0,00500349 6,608 0,94635043
Modificación 1,6553E-05 1 1,6553E-05 1,06276488 6,608 0,34984818
Interacción 2,3368E-06 1 2,3368E-06 0,15003631 6,608 0,71444001
ERROR 0,00043856 5 8,7713E-05
Total 0,00045753 8
Entrada Vs Alineación del viento
Tabla 12. Datos ANOVA Dirección del viento entrada
Dirección (N-E) [°]
ORIGINAL ENTRADA
ΔX/Et[%m^2/MJ]
MODIFICADO ENTRADA ΔX/Et[%m^2/MJ]
67,9303711 Alto
alineación
0,003481006 0,00504928
51,9994165 0,00625749 0,005513783
51,273199 0,005818623 0,008299303
40,3680485
Baja alineación
0,003639879 0,004779209
36,5466082 0,009798829 0,003381782
33,2962626 0,007022111 0,009457243
31,392266 0,004533965 0,003029193
27,7231217 0,00401564 0,001787778
21,4068931 0,003973572 0,000864207
65
Tabla 13. Cuadro ANOVA Entrada Vs Dirección del viento
Fuente SC GL CM F F_CRITICO P-Value
Angulo 0,00016622 1 0,00016622 10,6718396 6,608 0,02227784
Modificación 2,2609E-06 1 2,2609E-06 0,14516013 6,608 0,71885557
Interacción 5,9272E-09 1 5,9272E-09 0,00038055 6,608 0,98519057
ERROR -6,775E-05 5 -1,355E-05
Total 0,00010073 8
Salida Vs Alineación del viento
Tabla 14. Datos ANOVA Dirección del viento salida
Dirección (N-E) [°] ORIGINAL SALIDA ΔX/Et[%m^2/MJ]
MODIFICADO SALIDA ΔX/Et[%m^2/MJ]
67,9303711 Alto
alineación
0,00334581 0,00806239
51,9994165 0,003651281 0,017604527
51,273199 0,012408891 0,018157265
40,3680485
Baja alineación
0,002607229 0,003239834
36,5466082 0,004706026 0,000734013
33,2962626 0,008183851 0,008464366
31,392266 0,003029771 0,003019947
27,7231217 0,003402774 0,001967674
21,4068931 0,004711712 0,002058506
Tabla 15. . Cuadro ANOVA Salida Vs Dirección del viento
Fuente SC GL CM F F_CRITICO P-Value
Angulo 0,00036224 1 0,00036224 23,2577434 6,608 0,00478737
Modificación 1,6553E-05 1 1,6553E-05 1,06276488 6,608 0,34984818
Interacción 5,8714E-05 1 5,8714E-05 3,769759 6,608 0,10984736
ERROR 2,0021E-05 5 4,0043E-06
Total 0,00045753 8
66
ANEXO B Planimetría No. De Plano Nombre del plano
1 EXPLOSIÓN DIFUSOR
2 EXPLOSIÓN COSTILLA MENOR
3 EXPLOSIÓN COSTILLA MAYOR
4 EXPLOSIÓN TUBERÍA Y SOPORTES
5 BASE COSTILLA MENOR
6 COSTILLA MENOR
7 BASE COSTILLA MAYOR
8 COSTILLA MAYOR
9 SOPORTE ESTRUCTURAL INFERIOR
10 SOPORTE ESTRUCTURAL SUPERIOR
11 SOPORTES RECTO E INCLINADO
12 SOPORTE VENTILADOR
13 SEGURO TUBERÍA
14 BASE
15 BASE EXTENDIBLE
PARTS LIST
DESCRIPTIONPART NUMBERQTYITEM
P2Costilla menor11
Platina Aluminio 2" X 3/16"Soporte estructural inferior12
P3Costilla mayor13
Platina Aluminio 2" X 3/16" Soporte estructural superior14
Acero Inoxidable 1/2"
ancho para 6" diámetro
Abrazadera 35
P4Tubería y soportes
16
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
A A
B B
C C
D D
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Explosión Difusor
Material:
N/A
A3 Ángulo:
Escala:
1:15
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P1
5
5 56
6
2
4
31
6
Vista Isométrica del ensamble
Escala: 1:20
PARTS LIST
DESCRIPTIONPART NUMBERQTYITEM
Platina Aluminio 2" X 1/8" Base Costilla Menor11
Platina Aluminio 2" X 1/8" Costilla Menor12
Ángulo Aluminio 1" X 1/8"
Soporte recto43
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Explosión costilla menor
Material:
Aluminio
A4 Ángulo:
Escala:
1:4
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P2
2
3
3
3
3
1
Vista Isométrica del ensamble
Escala: 1:4
3
3
Los soportes rectos se sujetan a
las otras piezas por medio de
remaches pop de 1/8"
PARTS LIST
DESCRIPTIONPART NUMBERQTYITEM
Platina Aluminio 2" X 1/8"Base Costilla Mayor11
Platina Aluminio 2" X 1/8"Costilla Mayor12
Angulo Aluminio 1" X 1/8"Soporte inclinado23
Angulo Aluminio 1" X 1/8"Soporte recto24
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Explosión costilla mayor
Material:
Aluminio
A4 Ángulo:
Escala:
1:10
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P3
1
4
4
3
3
2
3
3
Los soportes rectos e inclinados
se sujetan a las otras piezas por
medio de remaches pop de 1/8"
Vista Isométrica del ensamble
Escala: 1:10
PARTS LIST
DESCRIPTIONPART NUMBERQTYITEM
Tubería PVC 6" Sanitaria
1.5m
Tubería de desarrollo11
Empack Diametro 180mm Soporte Ventilador12
Platina Aluminio 2" X 3/16"Seguro Tuberia13
Tubería cuadrada 1"Base24
Tubería cuadrada 1/2"Extension Base25
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Explosión tubería y soportes
Material:
N/A
A4 Ángulo:
Escala:
1:20
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P4
12
4
3
4
5
5
3
La soldadura se debe
aplicar en ambos lados del
seguro como indica la cota
Para soldar la base a el seguro se
debe acomodar centrada en el
espacio no usado por las ranuras,
de manera simétrica para ambas
bases.
Vista Isométrica del ensamble
Escala: 1:25
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Base costilla menor
Material:
Platina Aluminio 2" X 1/8"
A4 Ángulo:
Escala:
1:1.5
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P5
316.00
2"
1/4"
145.30
147.00
3/4"
1"
1 1/2"
158.00
22.00
1"
Pieza hecha con platina de
Aluminio de 2"X1/8"
6 x 1/8" THRU
3/16" THRU
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
DETAIL B
SCALE 1:2
A
A
B
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Costilla menor
Material:
Platina Aluminio 2" X 1/8"
A4 Ángulo:
Escala:
1:3
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P6
1
5
6
.
0
0
315.64
2
0
9
.
2
0
120.0°
1/2"
2
0
5
.
5
4
102.77
106.43
42.00
53.22
64.43
1/4"
1/2"
3/4"
2"
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
1/8"
60°
2 X 3/16" THRU
5 X 1/8" THRU
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Base costilla mayor
Material:
Platina Aluminio 2" X 3/16"
A4 Ángulo:
Escala:
1:5
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P7
2"
1/4" 1/2"
3/4"
1/4"3/4"
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
512.00 122.57
25.40
122.57512.00
6 X 1/8" THRU
Pieza hecha con platina de
Aluminio de 2"X3/16"
1294.54
DETAIL B
SCALE 1:4
A
A
B
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Costilla mayor
Material:
Platina Aluminio 2" X 3/16"
A4 Ángulo:
Escala:
1:8
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P8
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
82.92
7
0
0
.
2
1
6
9
6
.
1
5
27.0°
1294.53
80.00
5
7
3
.
8
6
1/4"
3/4"
2"
4 X 1/8" THRU
1 3/4"
1 13/16"
1/2"
15/16"
3/16"
1/8" THRU
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Soporte estructural inferior
Material:
Platina Aluminio 2" X 3/16"
A4 Ángulo:
Escala:
1:2.5
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P9
Pieza hecha con platina de
Aluminio de 2"X3/16"
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
2"
1/2"
1"
1/2"
1"
563.50
1/2" 1/2"
4 X 1/8" THRU
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a medio
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.5mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Soporte estructural superior
Material:
Platina Aluminio 1" X 3/16"
A4 Ángulo:
Escala:
1:5
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P10
3/16"
1"
1"5
9
4
.
6
5
551.93
1/2" 1/2"1"
1/2" 1/2"
24°
226.10
3/16"
1/8" THRU1/8" THRU
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
A
A
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.005"
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Soportes recto e inclinado
Material:
Ángulo Aluminio 3/4"X1/16"
A4 Ángulo:
Escala:
1:1
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P11
3/4"
3/4"
1"
1/2"
1/2"
1/4"
1/2"
1"
1/2"
1/4"
3/4"
3/4"
1/2" 1/4"
1/16"
1/16"
117°
90°
3 X 1/8" THRU
3 X 1/8" THRU
Las comillas (") indican la
medida en pulgadas.
SECTION A-A
SCALE 1:2
A A
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en mm a menos
que se indique lo contrario
Tolerancias: +/-0.1mm
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Soporte ventilador
Material:
Empack
A4 Ángulo:
Escala:
1:2
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P12
180.00
172.00
147.00
30.00 25.40
55.40
DETAIL B
SCALE 1 : 1
A
A
B
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en pulgadas a
menos que se indique lo
contrario
Tolerancias: +/-0.005"
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Seguro tubería
Material:
Aluminio
A4 Ángulo:
Escala:
1:2
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P13
3/16"
2"
1"
3/16"
3/16"
5/8"
121°
3 11/16"
3 5/8"
R3/8"
R3/8"
DETAIL A
SCALE 1:1
A
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en pulgadas a
menos que se indique lo
contrario
Tolerancias: +/-0.005"
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Base
Material:
Aluminio
A4 Ángulo:
Escala:
1:2
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P14
1000.00
1/2-13 UNC - 2B
22.23
25.40
10.00
25.40
22.23
DETAIL A
SCALE 1:1
SECTION H-H
SCALE 1:1
A
H
H
Dibujado Por:
Harry Yasir Otálora O
Revisado por:
Orlando Porras Rey
Proyecto:
Difusor secador solar tipo Hohenheim
Unidades en pulgadas a
menos que se indique lo
contrario
Tolerancias: +/-0.005"
Tolerancias: +/-1°
Institución:
Pieza:
Base Extendible
Material:
Aluminio
A4 Ángulo:
Escala:
1:2
Fecha:
Marzo de 2014
Código:
201018324
Plano No:
P15
600.00
5
0
.
8
0
1/16"
60°
1 3/4"
2"
1/2"
3/8"
1/2"