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CENTRO DE INVESTIGACION EN MATERIALES AVANZADOS S.C.

RAFAEL CHAVEZ TORRES Página 1

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS

DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO

Mediante simulación dinámica, analizar la factibilidad técnica y económica de incluir

energía solar térmica en el proceso de calentamiento de aire para un secador de

cascara de naranja

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRIA EN CIENCIA Y TECNOLOGIA AMBIENTAL

Presenta:

RAFAEL CHAVEZ TORRES

ASESOR:

DR. IGNACIO RAMIRO MARTIN DOMINGUEZ

CHIHUAHUA, CHIH. JULIO, 2014



Resumen.

Los productores de naranja en el Estado de Sonora y la Universidad de Sonora, están

preocupados por el uso que se da a los residuos de la naranja; después de extraerle el jugo,

una alternativa es deshidratar los residuos para evitar la descomposición y la contaminación

ambiental. En el trabajo presente se atiende la posibilidad de reducir la humedad del bagazo

y la cascara de naranja por medio de un sistema hibrido sol-gas, desarrollado con el

programa de TRNSYS 16, sistema que sea capaz de proveer energía térmica para calentar

aire a 63°C para ser utilizado en un secador industrial de cascara de naranja, con la

intención de reducir la humedad hasta un 12%; de 5 ó 10 toneladas diarias de cascara y

bagazo. En la simulación se decidió calentar el aire a través de un intercambiador de calor

agua-aire, esto porque por medio de colectores solares y una caldera de gas se calienta un

flujo másico de agua a 92°C, y al pasar el agua por el intercambiador de calor de flujo

cruzado entregar energía térmica al aire que pasa por el intercambiador impulsado por un

abanico; esta decisión está basada en la mayor capacidad calorífica del agua y en la

facilidad de almacenarla para posteriormente y mediante el intercambiador calentar el aire.

El resultado obtenido fue, que es posible disminuir el costo de operación de los sistemas de

secado mediante la inclusión de la energía solar térmica, logrando un porcentaje de

aportación de la energía de hasta 96% por medio solar y un ahorro económico respecto a un

sistema que funcione puramente con gas de hasta 86.3%. Se consideró al final del análisis

que resulta altamente rentable la inversión inicial en equipo para aprovechar la energía

solar térmica y así disminuir el costo final de operación de los sistemas industriales de

secado; análisis hecho a 25 años de operación del sistema, que es el tiempo de vida

promedio de los equipos.



Tabla de Contenido

Lista de figuras. ............................................................................................................ 4

Agradecimientos ............................................................................................................ 6

1.1 Antecedentes ................................................................................................................. 7

1.2 Antecedentes de uso del calor solar en procesos industriales .......................................... 8

Figura 3. Potencial de energía renovable en México. .................................................... 10

1.3 Descripción del área de oportunidad ............................................................................ 11

1.4 Hipótesis....................................................................................................................... 13

1.5 Objetivos ...................................................................................................................... 13

1.5.1 Objetivo general .............................................................................................................................. 13

1.5.2 Objetivos específicos ...................................................................................................................... 13

1.6 Descripción del proceso de secado solar ....................................................................... 13

2 Análisis y Metodología ............................................................................................. 17

2.1 Análisis de necesidades y sistema propuesto ..................................................................................... 17

2.1.1 Definición física del proyecto ........................................................................................................ 17

2.1.1.1 Origen de la problemática que se intenta resolver ...................................................................... 19

2.1.2 Modelado matemático..................................................................................................................... 23

2.1.3 Simulación numérica .................................................................................................................... 30

2.2. Análisis paramétrico ................................................................................................... 48

2.2.1. Parámetros de diseño a analizar ..................................................................................................... 48

2.2.2. Análisis paramétrico del desempeño anual .................................................................................... 49

2.2.3 Optimización del diseño basado en análisis paramétrico y económico ......................................... 50

3. Resultados y discusión .......................................................................................... 60

4. Conclusiones y recomendaciones ............................................................................ 67

5. Bibliografía ............................................................................................................. 68



Lista de figuras

Figura 1.- Tabla de producción de naranja en el país……………………………………… 7

Figura 2. Consumo de Energía en el sector industrial hasta el 2025……………………… 8

Figura 3. Potencial de energía renovable en México……………………………………… 10

Figura 4. Porcentaje de jugo de la naranja………………………………………………… 11

Figura 5. Compuestos de la naranja………………………………………………………… 12

Figura 6.- Clasificación del secado de alimentos usando energía solar…………………… 14

Figura 7.- Estructura de un gabinete pasivo de secado solar……………………………… 15

Figura 8.- Estructura de un gabinete activo-convectivo de secado solar ………………… 16

Figura 9. Esquema general del sistema propuesto………………………………………… 17

Figura 10. Ampliación de la carta de psicrometría para el análisis del comportamiento del

aire…………………………………………………………………………………………

18

Figura 11. Presentación esquemática del simulador en TRNSYS………………………… 21

Figura 12. Diagrama esquemático de un colector de tubos evacuados…………………… 22

Figura 13. Diagrama de un termo tanque y su conexión básica…………………………… 22

Figura 14. Balance energético de radiación solar para longitudes de onda corta.………… 25

Figura 15. Tipos de colectores solares y rango de temperaturas de operación…………… 26

Figura 16. Esquema de un intercambiador de calor………………………………………… 28

Figura 17. Esquema que muestra el diseño del simulador………………………………… 32

Figura 18. Descripción de „Types‟ usados en el simulador………………………………… 34

Figura 19. Imagen que muestra TRNedit con una tabla paramétrica……………………… 35

Figura 20. Esquema de interconexión entre “Types”……………………………………… 36

Figura 21. Datos climáticos de Hermosillo Sonora………………………………………… 37

Figura 22. Comportamiento de la radiación y temperatura de Hermosillo Sonora………… 39

Figura 23. Insolación global en México…………………………………………………… 40

Figura 24. Base de datos climáticos de Hermosillo Sonora, México……………………… 41

Figura 25. Gráfica del comportamiento de la Temperatura y la HR……………………… 42

Figura 26. Gráfica con acercamiento de la relación HR-Temperatura……………………… 43

Figura 27. Gráfica del comportamiento de la radiación solar en una superficie inclinada … 43

Figura 28. Datos del colector solar………………………………………………………… 44

Figura 29. Temperaturas de entrada y salida del agua del termo tanque…………………… 45

Figura 30. Grafica representativa del porcentaje de aporte entre energía solar y energía

tradicional…………………………………………………………………………………....

45

Figura 31. Grafica de temperaturas del agua…...…………………………………………… 46

Figura 32. Comportamiento de la temperatura del aire en el año………..………………… 47

Figura 33. Grafica de la relación temperatura del aire-HR de entrada al HX……………… 47

Figura 34. Grafica de las características del aire al salir del HX…………………………… 48

Figura 35. Esquema básico del análisis paramétrico…………….………………………… 48

Figura 36. Imagen de TRNedit que muestra la preparación de una corrida paramétrica…… 49



Figura 37. Muestra de resultados del análisis paramétrico………………………………… 50

Figura 38. Gráfica del comportamiento del sistema con 144 parámetros para 5 toneladas.. 51

Figura 39.Tabla de resultados de la optimización con 144 parámetros para 5 toneladas…. 51

Figura 40. Grafica de aporte por tipo de energía……………...…………………………… 52

Figura 41. Porcentaje de ahorro al usar energía solar…………………………………….... 52

Figura 42. Tabla que muestra el costo de equipo…………………………………………… 53

Figura 43. Gráfica del comportamiento inflacionario………………...……………………. 54

Figura 44. Grafica comparativa de la aportación al costo del proyecto…………………… 56

Figura 45. Gráfica del comportamiento del sistema con 84 parámetros para 10 toneladas… 57

Figura 46.Tabla de resultados de la optimización con 84 parámetros para 10 toneladas… 57

Figura 47. Grafica de aporte por tipo de energía…………………………………………… 58

Figura 48.Tabla de porcentaje de ahorro al usar energía solar………………………..…… 58

Figura 49. Grafica comparativa de la aportación al costo del proyecto…………………… 59

Figura 50. Porcentaje de aporte solar por configuración……………..…………………… 60

Figura 51. Cantidad aportada por tipo de energía…………………………..……………… 61

Figura 52. Tabla comparativa del costo por configuración………………………………… 61

Figura 53. Costo total del proyecto por configuración a 25 años…………………………… 62

Figura 54. Tabla comparativa entre sistema convencional contra sistema hibrido………… 62

Figura 55. Porcentaje de ahorro económico al usar energía solar…………………………. 63

Figura 56. Desempeño general de los sistemas propuestos………………………………… 63

Figura 57. Tabla de análisis general de las propuestas……………………………………… 64

Figura 58. Comportamiento de la temperatura del aire al entrar y salir del HX……..…… 64

Figura 59. Tabla del comportamiento anual del sistema respecto a condiciones del aire….. 65

Figura 60. Comportamiento anual de la humedad relativa al entrar y salir del HX………… 65

Figura 61. Comportamiento anual de la humedad absoluta al salir del HX y al salir del

secador………………………………………………………………………………………

66



Agradecimientos

Agradezco el apoyo, que incondicionalmente me brindo mi familia para la culminación de uno de

mis sueños; terminar la maestría, sin los sabios consejos de mi madre y de mi padre hubiera sido

imposible llegar hasta aquí, la motivación diaria de mis hermanos y cuñadas resulto también

fundamental, y como expresar mi agradecimiento; a mis hijos Lizeth, Valeria y Cesar y a mi esposa

Liliana, sin quedarme corto, darme espacio, tiempo, apoyo y amor incondicional; a todos muchas

gracias.

Agradezco también el apoyo de mis compañeros de trabajo del Instituto Tecnológico de Cd.

Jiménez, en los cuales conté siempre con sus buenos deseos y con su apoyo; en especial a la M.A

Verónica Espinosa Zapien, Directora de mi centro de trabajo, que siempre me apoyo para poder

iniciar y terminar este proyecto.

No podría omitir el agradecimiento a mis compañeros de grupo de la maestría y a mis compañeros

del laboratorio de energía, en los cuales encontré amistad, conocimiento y apoyo.

Por ultimo; pero no por eso menos importante, agradezco la sabia dirección para llevar a cabo este

proyecto y la enseñanza incondicional y poderosa que me brindo el Dr. Ignacio Ramiro Martin

Domínguez.



1 Introducción

1.1 Antecedentes

La tabla siguiente nos muestra las cantidades de producción de naranja en el país, en la

que se ve la gran importancia que tiene el estado de Sonora en este rubro. Los productores

de naranja pueden vender su producto para la comercialización como producto fresco o

para la extracción de jugo. El jugo de naranja se extrae de manera artesanal en los puestos

de venta de jugo o en algunos casos de forma industrial para el manejo nacional o para

exportaciones al extranjero.

.Figura 1.- Tabla de producción de naranja en el país.

En ambos casos el subproducto que queda es el bagazo y la cascara de la naranja;

convirtiéndose ambos en un problema ambiental, ya que al ser producto orgánico sufre una

descomposición rápida que provoca fermentación y produce malos olores y además es

basura que ocupa espacio y provoca una imagen desagradable. El contenido de humedad de



estos residuos de la naranja, hace que el trasporte sea caro y complicado, en algunos países

se ha propuesto darle un valor agregado a estos residuos, mediante la obtención de pectinas

a partir del hollejo de naranja seco. (Andión et al, 2012)

El proceso de secado de productos alimenticios es ancestral, solo que el secado por

medio de energía solar generalmente es un proceso casero y solo atiende bajos volúmenes

de producto y el secado en cantidades industriales generalmente se hace por medio del uso

de combustibles fósiles.

1.2 Antecedentes de uso del calor solar en procesos industriales

Muchos de los procesos productivos que realizan diversas industrias, requieren de

fluido caliente en distintos volúmenes y temperaturas, que conllevan el consumo de

combustibles fósiles tradicionales.

En la actualidad, este tipo de combustibles enfrentan la incertidumbre de su

disponibilidad futura y la tendencia al incremento de sus precios, con la consecuente

repercusión en los costos de producción; además de que su uso es un factor que incide en el

cambio climático, como resultado de la emisión de gases de efecto invernadero.

Figura 2. Consumo de Energía en el sector industrial hasta el 2025

Nota: un cuadrillon de BTU es igual a 1E15

BTU, y un BTU es igual a 2.9 E-4

kWh

La figura 1 muestra la tendencia mundial en el consumo de energía hasta el año 2025,

debido al incremento en los precios de los combustibles tradicionales y el daño al medio



ambiente, las empresas buscan sustituir en lo posible a los combustibles fósiles en el sector

industrial. Mediante la aplicación de energías renovables en los procesos industriales, las

emisiones de efecto invernadero podrían reducirse significativamente. Por lo tanto, el

suministro de energía tradicional debería ser desplazado por el uso mayor de energías

renovables.

El uso de fuentes de energías alternativas, como es el caso del aprovechamiento de la

energía solar térmica, ha abierto la puerta para atender de forma amigable con el medio

ambiente, todos aquellos procesos que requieran energía térmica.

El calor solar en procesos industriales, actualmente, es una opción confiable, y viable

tecnológica y económicamente.

Algunos procesos industriales en el mundo, actualmente son atendidos parcial o

totalmente con energía solar térmica, las aplicaciones de la energía solar térmica para

procesos se clasifica como:

1. Calentamiento de agua o procesos que demandan vapor de agua

2. Procesos de secado y deshidratación

3. Precalentamiento

4. Concentración

5. Pasteurización, esterilización

6. Lavado y limpieza

7. Reacciones químicas

8. Calentamiento de espacios industriales

9. Industria textil

10. Industria alimenticia

11. Acondicionamiento de edificios

12. Industria química

13. Industria del plástico

14. Establecimientos comerciales

(S. Mekhilefa, 2010)

En México existen políticas públicas que promueven el uso y aprovechamiento de

energías renovables, tal como lo menciona la Estrategia Nacional de Energía 2013-2027 y

propone, dentro de sus estrategias, una que está relacionada con el impulso de las energías

renovables:

Tema estratégico 15. Identificar y aprovechar el potencial de energías renovables en

nuestro país. La grafica 2 nos muestra el potencial de recursos de energía renovable

en México. (SENER, 2013)



Figura 3. Potencial de energía renovable en México.

La información declarada en el portal de Procalsol, donde se menciona algunos casos de

éxito en la aplicación de energía solar térmica en procesos industriales en México, resalta

los siguientes:

Rastro Tipo Inspección Federal de Aves de Ciénega de Flores, Nuevo León, en

donde se instalaron 40 módulos de 30 tubos evacuados cada uno y un termo tanque

de 10,000L, generando un ahorro anual en consumo de combustibles de 7338 litros

de diesel.

Rastro Tipo Inspección Federal de Cerdos de Puente Grande, Jalisco, en donde se

instalaron 8 módulos de tubos evacuados y dos termo tanques de 1,500L cada uno,

generando un ahorro anual en consumo de combustibles de 24000 litros de diesel.



En la página de CFE se menciona un importante caso de éxito: (CFE, 2012)

Central Agua Prieta II – Ciclo combinado: Proyecto localizado en Agua Prieta,

Sonora, la capacidad de la central es de 549 MW, de los cuales 14 MW son

provenientes de energía solar térmica, la tecnología utilizada es un canal parabólico.

Alrededor del mundo son incontables los casos de éxito de aprovechamiento de la

energía solar térmica en procesos industriales y habitacionales.

1.3 Descripción del área de oportunidad

La naranja sonorense se ha abierto paso en los mercados nacional e internacional por su

calidad y el respaldo de ser una zona libre de enfermedades de esta fruta.

Los productores de naranja en el Estado han cosechado desde los últimos 2 años un

volumen de 175 mil toneladas del cítrico en las 11 mil 271 hectáreas distribuidas en las

regiones de Caborca, Hermosillo, Guaymas y Cajeme.

Aunque en el periodo del 2009 se observó una disminución en la producción por el

impacto de los fenómenos climáticos, poco a poco se ha ido restableciendo el volumen de

cosecha, cuyo récord en la región es de 225 mil toneladas anuales. (Delgado, 2012)

Figura 4. Porcentaje de jugo de la naranja

La figura 6 nos muestra que el porcentaje promedio de jugo en la naranja va desde

41.89% a 43.10%.



En las empresas de productos cítricos se generan gran cantidad de desechos. (Cascara y

bagazo), la rápida fermentación de los subproductos produce un olor desagradable y se

convierte en un problema medioambiental

El potencial de residuos en el estado de Sonora, formados por cascara de naranja y

gabazo va desde 99,575 a 101,692.5 toneladas anuales.

Por su alto contenido de humedad el transporte de estos residuos es muy costoso.

En varios países se ha propuesto darle un valor agregado a estos residuos, mediante la

obtención de pectinas a partir del hollejo de naranja seco. (Andión et al, 2012), el albedo de

la cascara es rico en celulosa, hemicelulosa, lignina, sustancias pécticas, y compuestos

fenólicos. (Ligor y Buszewsky, 2003), en el flavedo los compuestos constituyentes más

importantes son carotenoides y aceites. (Cancalon, 1994)

Figura 5. Compuestos de la naranja.

Tanto en el albedo como en el flavedo de la cascara de naranja existe concentración de

flavonoides. Los flavonoides consumidos por el hombre le protegen del daño de los

oxidantes, como los rayos UV y la polución ambiental.

Al limitar la acción de los radicales libres, los flavonoides reducen el riesgo de cáncer,

mejoran los síntomas alérgicos y de artritis, aumentan la actividad de la vitamina C,

bloquean la progresión de las cataratas y la degeneración macular, evitan las tufaradas de

calor en la menopausia (bochornos) y combaten otros síntomas. (http://es.wikipedia.org/)



La cascara de naranja también se usa para aromatizantes ambientales, es utilizada en la

cocina, alimento para mascotas, y algunos otros usos más.

La intención es bajar la humedad de 10 Toneladas de cascara de naranja al día, para

conseguir una humedad de producto del 12%. Se debe tomar en cuenta que alrededor del

59,2 ± 0,29% de la cascara de naranja es agua. (Moreno et al, 2004)

1.4 Hipótesis

Es técnica y económicamente factible incluir energía solar térmica en el proceso de

secado industrial de cascara de naranja. Mediante simulación dinámica, es posible diseñar

el sistema de suministro térmico combinado sol-gas para el secador de cascara de naranja.

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivo general

Mediante el uso de simulación dinámica, lograr encontrar los colectores solares y

dispositivos de interconexión y apoyo, que logren sustituir parcialmente el uso de

combustibles fósiles, usados en la generación de aire caliente; para reducir, mediante

convección forzada, la humedad de la cascara de naranja.

1.5.2 Objetivos específicos

Diseñar un sistema termo solar óptimo para el secado de cascara de naranja:

1. 5 toneladas de cascara de naranja

2. 10 toneladas de cascara de naranja

Mediante un análisis paramétrico determinar técnica y económicamente la

configuración óptima.

1.6 Descripción del proceso de secado solar

Entendemos por “secado” la disminución de la humedad de un sólido húmedo

mediante un procedimiento térmico. A veces el concepto de secado se extiende a la

eliminación de agua mediante procedimientos mecánicos (prensado, filtrado, centrifugado,

etc.), sin embargo en este caso es preferible denominar al proceso como deshidratación de

alimentos. (Esc. de Ing. Agrarias)

El secado de los alimentos es uno de los métodos más antiguos utilizados para su

conservación, ya que al reducirse el contenido de agua en un alimento:

- Se reduce la posibilidad de su deterioro biológico, y se reducen otros mecanismos de

deterioro.



- Se reduce su peso y volumen, aumentando la eficacia de los procesos de transporte y

almacenaje (sopas deshidratadas, leche en polvo, etc.).

- Puede conseguirse un alimento más apto para el consumo (jamón serrano, chorizo,

pimientos para pimentón, etc.).

En muchos países del mundo, el uso de sistemas de energía solar térmica en el área

agrícola para conservar verduras, frutas, café y otros cultivos ha demostrado ser práctico,

económico y responsable con el ambiente. Sistemas de calefacción solar para secar

alimentos y otros cultivos pueden mejorar la calidad del producto, mientras que la

reducción de desperdicios en combustibles fósiles tiende a mejorar la calidad de vida.

Secadores de productos alimenticios basados en energía solar están disponibles en una

gama de tamaños y diseño y son utilizados para el secado de diversos productos. Se ha

encontrado que varios tipos de secadores están disponibles para satisfacer las necesidades

de los agricultores y/o industriales del campo. Por lo tanto, la selección de los secadores

para una aplicación en particular es en gran parte una decisión basada en lo que está

disponible. Una revisión exhaustiva de los diversos diseños, detalles de construcción y

principios operativos de la amplia variedad de diseños nos lleva a dos grupos genéricos de

secadores de energía solar, a saber, pasiva o de circulación natural y activa o convección

forzada. (Atul Sharma, 2008).

Figura 6.- Clasificación del secado de alimentos usando energía solar

Los secadores pasivos utilizan sólo el movimiento natural del aire caliente. Pueden ser

construidos fácilmente con materiales baratos y disponibles localmente que los hacen

adecuados para las pequeñas explotaciones, donde el material de construcción en bruto,



tales como la madera es fácilmente disponible. Un secador pasivo es uno en el que la

comida es directamente expuesta a los rayos del sol. Los secadores pasivos son los mejores

para el secado de pequeñas cantidades de frutas y verduras como el plátano, piña, mango,

papa, zanahorias, entre otros. (Jayaraman KS, 2000)

Este tipo de secador comprende una cámara de secado que está cubierta por una tapa

transparente de vidrio o de plástico. La cámara de secado suele ser una caja de poca

profundidad con aislamiento de aire, hay agujeros en ella para permitir que el aire entre y

salga del cuadro. Las muestras de alimentos se colocan en una bandeja perforada que

permite que el aire fluya a través de ella y el alimento. (Grabowki, 2000)

Figura 7.- Estructura de un gabinete pasivo de secado solar

La figura muestra un esquema de un secador pasivo donde la radiación solar pasa a

través de la cubierta transparente y es convertida en calor de bajo grado cuando golpea una

pared opaca. Este calor de bajo grado es entonces atrapado dentro de la caja por lo que se

conoce como ´´el efecto invernadero ´´.

Los secadores solares activos están diseñados incorporando medios externos, como

ventiladores o bombas, para mover la energía solar en forma de aire caliente de la

superficie de captación de los lechos de secado. La figura muestra un esquema de los

principales componentes de un secador de comida solar activo.



Figura 8.- Estructura de un gabinete activo-convectivo de secado solar

Los colectores se deben colocar en un ángulo apropiado para optimizar la recolección

de energía solar. Un sistema de engranajes puede ser diseñado para ajustar el ángulo de los

colectores. Ajustar la inclinación de los colectores es más eficaz que colocarlos

horizontalmente, por dos razones. En primer lugar, más energía solar puede ser recogida

cuando la superficie del colector es casi perpendicular a los rayos del sol. En segundo lugar,

porque con la inclinación de los colectores, el aire más caliente, menos denso se eleva de

forma natural en la cámara de secado. En un secador activo, el aire fluye a través de la

cámara de secado solar de tal manera que pueda ponerse en contacto con la mayor cantidad

de área superficial de producto como sea posible. Los alimentos son colocados en rodajas

finas en bastidores de secado, o bandejas, hechas de una pantalla o de otro material que

permita un flujo de aire a todos los lados de la comida. Una vez dentro de la cámara de

secado, el aire caliente fluye hacia arriba a través del apilado de bandejas de producto. Las

bandejas deben encajar perfectamente en la cámara, de manera que el aire de secado sea

forzado a través de la malla y de los alimentos (Imre, 1995). Bandejas que no se ajustan

adecuadamente creará brechas en los bordes, causando que grandes volúmenes de aire

caliente pasen por alto la comida, y pueden evitar que el secador maximice el potencial de

secado de los alimentos. Al fluir el aire caliente a través de varias capas de los alimentos en

bandejas, se convierte en aire cargado de humedad. Este aire húmedo es ventilado a través

de la lumbrera de salida. El aire fresco se toma entonces para reemplazar el aire de escape.



Secadores solares activos son conocidos por ser adecuados para el secado de productos

alimenticios con mayor contenido de humedad tales como la papaya, kiwi, berenjena, col y

coliflor rebanadas.

2 Análisis y Metodología

2.1 Análisis de necesidades y sistema propuesto

2.1.1 Definición física del proyecto

En el análisis de diferentes configuraciones para el diseño del sistema que simule las

características y condiciones de funcionamiento, para reducir hasta un 12% la humedad;

diariamente, de 5 ó 10 toneladas de cascara de naranja; se diseñó un sistema que funciona

de la siguiente manera:

1. Los colectores solares de tubos evacuados calientan agua, hasta una temperatura de

operación que evite presurizar el sistema.

2. El agua es posteriormente almacenada en termo tanques, este paso es importante,

ya que el suministro solar es inconstante y debemos contar con una manera de

almacenar la energía suministrada por el sol en las horas de mayor insolación.

3. Un sistema de bombeo extrae el agua de los termo tanques y hace pasar el agua

por una caldera para asegurar que el agua lleve la temperatura óptima para entrar al

intercambiador de calor.

4. En el intercambiador de calor de flujo cruzado, el agua cede energía térmica al aire,

el cual entra a temperatura ambiente.

5. El aire al pasar por el intercambiador de calor, eleva su temperatura y en

consecuencia disminuye su humedad relativa y aumenta su capacidad de retirar

humedad al producto.

Figura 9. Esquema general del sistema propuesto



El análisis de la carta psicrométrica nos indica el comportamiento del aire al entrar y

salir del secador.

Figura 9. Carta psicrométrica que indica el comportamiento del aire al ser calentado.

Figura 10. Ampliación de la carta de psicrometría para el análisis del comportamiento del aire

El aire al entrar al sistema lleva diferentes valores de temperatura, dependiendo

obviamente de las condiciones climáticas, el sistema está diseñado para elevar la

temperatura del aire a 63° C, la consecuencia física de elevar la temperatura del aire es

disminuir su humedad relativa(ϕ), en este momento al aire le corresponde un cierto valor de

humedad absoluta(ω1); este aire caliente y seco entra a la cámara de secado y mediante un

proceso de saturación adiabática remueve humedad al producto; en este caso, cascara de

naranja; el aire sale de la cámara de secado con menor temperatura y con una humedad (ω2)

mayor; dependiendo de la eficiencia del secador.

∆ω



A la diferencia de humedad absoluta (Δω), la llamamos gradiente de humedad absoluta

y al multiplicarlo con el flujo másico de aire (ṁaire) que entra a la cámara de secado,

podemos determinar la cantidad de cascara de naranja que podemos secar por hora.

2.1.1.1 Origen de la problemática que se intenta resolver El sistema de secado solar que se presenta en este trabajo es la respuesta a una demanda

planteada por los productores de naranja de la región de Hermosillo, a través del Dr. Rafael

Enrique Cabanillas López, del Laboratorio Nacional de sistemas de concentración solar de

la Universidad de Sonora.

Los productores de jugo de naranja de la región de Hermosillo, Son., después de

procesar su producto obtienen grandes cantidades de cáscara de naranja sobrante. Este

subproducto requiere ser procesado para convertirlo en un producto comercializable y el

primer proceso requerido para ello es el secado, que permite reducir el peso y evitar el

deterioro microbiano.

El secado de productos agrícolas es un proceso muy común, que requiere de

importantes cantidades de energía para su realización, usualmente obtenida a partir de la

combustión de combustibles fósiles. La disponibilidad de combustibles es cada vez menor,

y consecuentemente su costo va en continuo aumento, lo cual impacta directamente la

rentabilidad de los procesos industriales que requieren el uso intensivo de energía para su

realización.

Sonora es una de las regiones del planeta que tienen una elevada disponibilidad de

irradiación solar, lo cual permite considerar el uso de energía solar como un sustituto

natural a los combustibles fósiles comúnmente utilizados en diversos procesos industriales

y comerciales.

La utilización eficiente y rentable de fuentes de energía renovables en procesos

industriales requiere, sin embargo, de un cuidadoso diseño ingenieril, especialmente cuando

se trata de energía solar directa. Los sistemas tecnológicos requeridos para el

aprovechamiento y aplicación de la energía solar requieren ser adecuadamente

seleccionados y dimensionados, debido a la continua variabilidad en su disponibilidad,

intrínseca a su origen, y sobre la cual no se tiene ningún control. A diferencia de lo anterior,

los sistemas tecnológicos basados en la utilización de combustibles fósiles, si cuentan con

combustible almacenado o suministro constante del mismo, pueden operar en forma

perfectamente predecible en cualquier tiempo y lugar, de día o de noche, en verano o

invierno, y la disponibilidad energética se tiene siempre disponible cuando se le requiere.

El diseño y optimización de procesos industriales que utilizan fuentes renovables de

energía requiere poder evaluar los requerimientos energéticos del proceso en forma

continua por periodos de tiempo extendidos, y la capacidad del equipamiento termo-solar



para satisfacer dichos requerimientos. Si se analizan las gráficas de requerimientos y

disponibilidad energética contra tiempo, para cualquier proceso industrial, se observa de

inmediato que son de naturaleza variable y normalmente muy diferentes entre sí. Debido a

ello se requiere incluir casi siempre un dispositivo o dispositivos que permitan almacenar la

energía proveída por el sol en las horas de mayor incidencia; para poder utilizarla en las

horas de menor o nula incidencia solar; estos dispositivos son llamados comúnmente,

tanques de almacenamiento térmico o termo tanques.

2.1.1.2 Necesidades térmicas de la empresa Es lógico pensar que a mayor temperatura del aire de secado, mayor capacidad tendrá

este para eliminar el agua del producto y más rápido será el proceso puesto que las fuerzas

impulsoras serán mayores. Pese a que esto es cierto y deberá emplearse la temperatura más

alta posible, deberán tomarse en cuenta otros factores. Debemos tener en cuenta que

muchos alimentos, o mejor dicho, muchos de los componentes de estos, son termolábiles,

es decir que se alteran fácilmente con la acción del calor. (Pedro José Fito, 2001)

Para la mayor parte de productos alimenticios, en los métodos oficiales de la AOAC

(The Association of Official Analytical Chemists), se recomienda una temperatura de

secado más baja de 70°C (Greenfield, 1992)

Apoyados en los requerimientos del Dr. Rafael Cabanillas López y atendiendo lo

mencionado en los dos párrafos anteriores, se diseñó el sistema para que la temperatura del

aire, que entra al sistema a temperatura ambiente, sea al salir del intercambiador de calor de

63°C.



2.1.1.3 Sistema propuesto

Se propone el siguiente sistema para lograr proporcionar un flujo másico de aire a

63°C.

Figura 11. Presentación esquemática del simulador en TRNSYS

El sistema consta de varios dispositivos, en este apartado mencionare solo los más

relevantes en el proceso.

Colector solar de tubos evacuados

Estos colectores transfieren el calor con alta eficiencia mediante un cambio de fase

liquido-vapor que ocurre en un tubo de calor (Heat pipe). Este tubo de cobre esta contenido

dentro de dos tubos de cristal concéntricos y tiene adherida una aleta de alta absortividad

que se encarga de captar la radiación solar. Esta radiación es transformada en calor y

conducida al fluido contenido en el tubo de calor, en donde se lleva a cabo un ciclo de

evaporación-condensación. En este ciclo, el calor solar hace evaporar al líquido y este viaja

como vapor a la región sumidero, en donde se condensa y libera su calor latente. En este

caso la región sumidero es un cabezal que hace la función de intercambiador de calor, por

el cual circula el fluido de trabajo del colector. (Kalogirou, 2009)



Figura 12. Diagrama esquemático de un colector de tubos evacuados

Almacenamiento de la energía solar

La energía solar es una fuente de energía que depende del tiempo; para una amplia

gama de aplicaciones las necesidades de energía dependen también del tiempo, pero en

forma distinta del suministro de energía solar, por lo que el desfase entre los períodos de

disponibilidad de la energía solar y los períodos de consumo, requieren de alguna forma de

almacenamiento. (Fernández Díez, 1992)

Para este proyecto se seleccionó un termo tanque de almacenamiento estratificado, el

fluido que se almacena, es agua, por su bajo costo, alta capacidad calorífica con respecto al

aire y porque al ser usada para calentar aire para secado de alimentos, nos otorga una mayor

confianza para la salud.

Figura 13. Diagrama de un termo tanque y su conexión básica



Bomba

Se necesita mover un flujo másico de agua desde los colectores al termo tanque y al

circuito de trabajo por lo que se utilizaron 2 bombas hidráulicas con capacidad de mover

6.25 kg/s∙m2.

Energía auxiliar

En un proceso de calentamiento de agua por energía solar se puede obtener un grado de

fiabilidad óptimo que cubra una carga determinada, teniendo en cuenta el tamaño correcto

de las unidades de almacenamiento y el de una fuente de energía auxiliar. (Fernández Díez,

1992) Para este sistema se considera necesario el uso de una caldera auxiliar para asegurar

que el flujo másico de agua que llega al intercambiador de calor lleve siempre una

temperatura de 92°C.

Intercambiador de calor de flujo cruzado con los dos fluidos sin mezclar

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilita el intercambio de calor entre

dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes, y evitan al mismo tiempo que se

mezclen entre sí. (Cengel, 2004) Para poder calentar un gran flujo másico de aire se

considera necesario almacenar la energía térmica en agua, para posteriormente y mediante

un intercambiador de calor transmitirle la mayor parte posible de la energía almacenada al

aire.

Ventilador

Un ventilador es la turbo máquina que absorbe energía mecánica y la transfiere a un

gas, proporcionándole un incremento de presión no mayor de 1.000 mmH2O

aproximadamente, por lo que da lugar a una variación muy pequeña del volumen específico

y suele ser considerada una máquina hidráulica. En energía, los ventiladores se usan

principalmente para producir flujo de gases de un punto a otro; es posible que la

conducción del propio gas sea lo esencial, pero también en muchos casos, el gas actúa sólo

como medio de transporte de calor, humedad, etc. (wikipedia.org)

2.1.2 Modelado matemático

2.1.2.1 Cargas térmicas en el proceso

La intención del sistema es, ser capaz de disminuir la humedad de 10000 kg de cascara

de naranja al día, ya que la industria productora de jugo de naranja genera una gran

cantidad de desechos de cascara y bagazo, los cuales además de ser un problema medio

ambiental por los olores que emite al descomponerse y por ser un producto orgánico se

convierte en nido de bichos e insectos y produce contaminación visual; se está



desaprovechando el potencial que tiene como; alimento para mascotas, en la industria

cosmética, en la industria de cocina, en la industria de aromatizantes ambientales, etc.

Para hacer más fácil el manejo y traslado de este desecho, y que pueda de esta forma ser

aprovechado, resulta conveniente disminuirle la humedad; las siguientes ecuaciones, sirven

para determinar la carga térmica del proceso de secado de cascara de naranja: (Esc. de Ing.

Agrarias)

- Balance de materia.

En el proceso de secado se supone que toda el agua que sale del producto pasa al aire,

entonces debe cumplirse:

Disminución de agua en el producto = Aumento de agua en el aire

mw = msΔWs = maΔX

Siendo mw la cantidad de agua, ms la masa de producto seco, ma la masa de aire seco,

ΔWs la humedad perdida por el producto en base seca y ΔX la humedad ganada por cada

kg de aire seco. En esta ecuación también pueden utilizarse caudales en lugar de masas.

Si se tienen 10000 kg de cascara de naranja, y sabemos que 59.2 ± 0.29% de la cascara

de naranja es agua. (Moreno et al, 2004) y se debe conservar una humedad de producto de

12%, entonces debemos remover el 88% de la humedad contenida:

0.592 100%

X 88 % X= 0.52096

Esto nos indica que de cada 1000 gramos de cascara de naranja húmeda, debemos

remover 520.96 gramos de agua, lo que nos lleva a una remoción total de: 10000 kg x

0.52096 = 5209.6 kg de agua al día.

Si el sistema trabaja 12 horas se deben remover 434.13 kg/h de agua, aplicando la

ecuación, y despejando para ΔX:

ΔX= mw/ma entonces ΔX=

= 0.014, es la humedad que debe ganar cada kg de

aire seco.

La mayor parte de la energía que aporta el aire se emplea en la evaporación del agua

contenida en el sólido. Esto quiere decir, que se supone que el producto a secar se mantiene

siempre, o al menos cuando la velocidad de secado es constante, a la temperatura del aire.

(Esc. de Ing. Agrarias)

Sabemos que la entalpía de vaporización o calor de vaporización es la cantidad de

energía necesaria para que la unidad de masa (kilogramo, mol, etc.) de una sustancia que se



encuentra en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera pase

completamente del estado líquido al estado gaseoso. La entalpia de vaporización o calor de

vaporización del agua a 60° C es 2357.7 kJ/kg. (Cengel, 2004)

Al relacionar la cantidad de agua que se requiere remover con la hfg nos indica lo siguiente:

5209.6 kg x 2357.7 kJ/kg = 12, 282,673.92 kJ; que es la cantidad de energía mínima que se

requiere para, diariamente secar 10 toneladas de cascara de naranja.

2.1.2.2. Colección solar

Desde el punto de vista energético, la masa solar que por segundo se irradia al espacio

en forma de partículas de alta energía y de radiación electromagnética es aproximadamente

de 5.6 x 1035

GeV y de ella, la Tierra recibe en el exterior de su atmósfera un total de 1.73 x

1014

kW, o sea 1,353 kW/m2, que se conoce como constante solar y cuyo valor fluctúa en

un ±3% debido a la variación periódica de la distancia entre la Tierra y el Sol. (Fernández

Díez, 1992)

De los 1.73 x 1014

kW que recibe la tierra, el 23% se refleja en las nubes, el 23% es

absorbida por la atmosfera, el 7% es reflejada por el suelo y el 47% restante, es absorbida

por el suelo (Duffie y Beckman 1991).

Figura 14. Balance energético de radiación solar para longitudes de onda corta (Solar Energy University of

Wisconsin).

Los sistemas para recolectar la energía que del sol llega a la tierra, son los colectores

solares, en este trabajo se propone el uso de la tecnología de tubos evacuados por las

necesidades térmicas propias del proceso.



Figura 15. Tipos de colectores solares y rango de temperaturas de operación (Kalogirou, 2009)

La eficiencia térmica de un colector solar de tubos evacuados se calcula de la manara

siguiente:

Donde:

a0 = intercepto de la eficiencia del colector solar

a1 = coeficiente negativo de primer orden en la ecuación de eficiencia del colector

a2 = coeficiente negativo de segundo orden en la ecuación de eficiencia del colector

Los valores a0, a1 y a2 de la ecuación están disponibles en las pruebas de colectores

aprobadas por ASHRAE

ΔT = ΔTi = Ti – Ta

Ti = Temperatura de entrada del fluido al colector

Ta = Temperatura ambiente



IT = Radiación global incidente en el colector solar

2.1.2.3 Almacenamiento térmico Para poder almacenar la energía que el agua adquiere durante las horas de insolación es

necesario contar con tanques de almacenamiento de líquidos, que sean aislados. La

capacidad de almacenamiento deberá ser apropiada a la cantidad de metros cúbicos

circulando en el circuito primario y necesario en el proceso. En general, se recomienda un

volumen del tanque de 1,5 más la cantidad del consumo de agua ó 50-180 litros por metro

cuadrado de área de apertura del colector (SAGARPA, 2011). La relación que nos apoya a

determinar el tamaño del o los termo tanques es la siguiente:

Vol. Almacenamiento =

(m3)

Donde:

sto_rel = relación de almacenamiento entre el colector y el termo tanque (50-180

)

área_coll =

área total del colector solar (m

2)

num_coll = El número total de colectores solares

área_gross = Este valor está disponible en las pruebas de colectores aprobadas por

ASHRAE

2.1.2.4 Intercambiador de calor En el proceso de secado de alimentos es muy usado el sistema que por medio de aire

caliente se retira la humedad del producto, en varias configuraciones de procesos de secado

se calienta directamente el aire, pero para este sistema en especial se requieren grandes

cantidades de aire caliente y el calentar el aire y almacenarlo directamente resulta

incosteable por voluminoso; por este motivo resulta conveniente calentar agua, que tiene un

Cp más alto que el aire y almacenar la energía en el agua, para posteriormente por medio de

un intercambiador de calor transmitir la mayor cantidad de energía posible al aire.



Figura 16. Esquema de un intercambiador de calor

El intercambiador de calor propuesto es de flujo cruzado con el fluido caliente sin

mezclar y el fluido frio (carga) mezclado, con un coeficiente global de trasferencia de calor

por unidad de área (UA) de 20000 kJ/h∙°C. La ecuación que determina la efectividad es:

Si Cmax = Ch,

(manual de trnsys, 1994)

Donde:

Cmax= Máximo valor de Ch y Cc

Cmin= Mínimo valor de Ch y Cc

Cc= ṁcCpc

Ch= ṁhCph

ṁc= Tasa de flujo másico del fluido frio (kg/h)

ṁh= Tasa de flujo másico del fluido caliente (kg/h)

Cpc= Calor especifico del fluido frio (kJ/kg °C)

Cph= Calor especifico del fluido caliente (kJ/kg °C)



UA = Coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador (kJ/h∙°C)

2.1.2.5 Calentador auxiliar La disponibilidad del sol no es constante ni tampoco dura las 24 horas del día, y

depender totalmente de la energía solar como único medio para calentar el agua sería

irresponsable, además diseñar un sistema que solo dependa del sol sería muy costoso y

siempre existe la posibilidad de ser insuficiente para atender las necesidades energéticas de

los procesos industriales.

El grado de fiabilidad deseado para satisfacer una carga particular por medio de energía

solar puede ser proporcionado por una correcta combinación y tamaño adecuado del

colector solar, unidades de almacenamiento y una fuente de energía auxiliar (Duffie, 1980)

El calentador auxiliar es modelado para elevar la temperatura de un flujo de fluido,

usando; control interno, externo o una combinación de ambos, el comportamiento se define

por:

Si Ti ≥ Tset, ṁi ≤ 0, ó γ = 0 entonces

To = Ti, ṁo = ṁi, Ǭloss = 0, Ǭfluid = 0, and Ǭaux = 0

Donde:

Ti = Temperatura del fluido al entrar el calentador (°C)

To = Temperatura del fluido al salir del calentador (°C)

Tset = Temperatura de ajuste de salida del calentador (°C)

ṁi = Tasa de flujo másico de entrada al calentador (kg/h)

ṁo = Tasa de flujo másico de salida del calentador (kg/h)

Ǭloss = Tasa de perdidas térmicas hacia el medio ambiente (kJ/h)

Ǭfluid = Tasa de adicción de calor al fluido (kJ/h)

Ǭaux = Tasa de calentamiento requerida, incluyendo los efectos de la eficiencia (kJ/h)

γ = Función externa de control, con valor de 0 ó 1

Y la temperatura de salida del fluido se determina por:



(manual de trnsys, 1994)

Donde:

ηhtr = Eficiencia del calentador auxiliar

Cpf = Calor especifico del fluido (kJ/kg K)

UA = Coeficiente global de perdidas entre el calentador y los alrededores (kJ/h)

Tenv = Temperatura de los alrededores del calentador para los cálculos de perdida (°C)

2.1.2.6 Sistemas de control

Es necesario mantener controladas algunas variables en el proceso ya que esto nos

asegura tener un sistema confiable. Para poder mantener controlada la temperatura del aire

de salida del intercambiador de calor se instaló un controlador de retroalimentación

iterativa que al detectar el valor de temperatura que debe mantener el flujo de aire,

determina el camino que debe tomar el agua. Además se diseñó el sistema con una función

forzada dependiente del tiempo, es decir que se programó el sistema para que prendiera y

apagara en la hora que resulta más conveniente; en este caso las de mayor insolación.

2.1.3 Simulación numérica

En las condiciones de trabajo reales se hace necesario visualizar el comportamiento de

muchas variables con respecto al tiempo, para poder predecir con mayor certeza el

funcionamiento de los equipos seleccionados.

Intentar resolver matemáticamente el comportamiento de cada dispositivo, y además el

comportamiento de los dispositivos en relación con los demás, sin perder de vista la

cuestión de la transición en el tiempo, resulta además de complicado insuficiente, ya que al

determinar modificar algún parámetro o alguna variabilidad física-natural que no fuera

previamente contemplada, impactaría en todo el sistema y eso nos llevaría a la necesidad de

recalcular, agregando tiempo a la solución de un problema.

La simulación dinámica nos permite predecir el comportamiento, además de considerar

datos estadísticos en relación a condiciones físicas, para evitar una gran mayoría de los

problemas ingenieriles de diseño; además, nos permite analizar resultados sin ser necesaria

la experimentación.



2.1.3.1 Plataforma TRNSYS

El sistema se diseñó en la plataforma TRNSYS 16 que es un entorno completo y

extensible de simulación, para la simulación transitoria de sistemas, incluyendo edificios

multizona. Es utilizado por los ingenieros e investigadores de todo el mundo para validar

nuevos conceptos de energía, a partir de los sistemas de agua caliente domésticos sencillos,

para el diseño y simulación de los edificios y su equipamiento, incluidas las estrategias de

control, el comportamiento de los ocupantes, sistemas de energía alternativa (eólica,

fotovoltaica, sistemas solares, de hidrógeno), etc. (manual de trnsys, 1994)

Dentro de la plataforma TRNSYS 16 está el módulo SIMULATION STUDIO, el cual

es un paquete de simulación completo que contiene varias herramientas, desde la

simulación de motores y programas de conexión gráfica para el trazado y el software de

hoja de cálculo. Es una herramienta integrada que se puede utilizar a partir del diseño de un

proyecto para su simulación (manual de trnsys, 1994), este módulo contiene los elementos

para crear un proyecto, elementos como colectores solares, termo tanques, controles,

bombas, intercambiadores de calor, etc. Estos elementos son conocidos como „Types‟, que

son el resultado de la integración matemática de un dispositivo o maquina al lenguaje de

programación Fortran (Najera Trejo, 2013)

2.1.3.2 Simulación Studio

En simulación studio se diseña el sistema por medio de „types‟ integrados al simulador,

estos „types‟ se conectan entre sí de forma lógica después de analizar el comportamiento

matemático y la característica del „type‟. Los „types‟ generalmente representan un

dispositivo o equipo comercial, pero también pueden representar el clima, una carta

psicométrica, un apartado para declarar ecuaciones o algo más.



Figura 17. Esquema que muestra el diseño del simulador

A continuación se presentan los diferentes „types‟ usados en el simulador los cuales

fueron estudiados, configurados e integrados a la hoja de trabajo para la simulación del

sistema propuesto.

TYPE NOMBRE ICONO DESCRIPCIÓN

Type 71 Evacuated Tube

Solar Colector

Este componente modela el

comportamiento térmico de un colector

solar de tubos evacuados

Type 4a Storage Tank;

Fixed Inlets,

Uniform Losses

Modela el comportamiento térmico de un

tanque de almacenamiento de fluido

Type 54a Weather

Generator:

Default Random

Number Seeds

Este componente genera datos

meteorológicos horarios dados los valores

medios mensuales de la radiación solar, la

temperatura de bulbo seco, relación de

humedad, y la velocidad del viento. Los

datos se generan de tal manera que sus

estadísticas asociadas son aproximadamente

iguales a las estadísticas a largo plazo en la

ubicación especificada

Type 16c Solar Radiation

Processor: Total

Horizontal ,

Temperature

and Relative

Este componente interpola datos de

radiación, calcula varias cantidades

relacionadas con la posición del sol, y

estima la insolación en un número de

superficies de orientación, ya sea fija o



Humidity

Known

variable.

Type 3d Single Speed

Pump

Modela el comportamiento de una bomba

que maneja un flujo másico en base a la

señal de control que esta entre 0 y 1.

Type 6 Auxiliary Heater

El calentador está diseñado para añadir

calor a la corriente de flujo a una velocidad

designada por el usuario (Qmáx) cada vez

que la entrada de control externa es igual a

uno y la temperatura de salida del

calentador es inferior a un máximo

especificado por el usuario (Tset)

Type 11f Controlled flow

diverter

Modela el comportamiento de una válvula

que divide el flujo másico de un líquido en

dos partes según se le especifique.

Type 5c Cross Flow Heat

Exchanger:

Cross Flow

Modela un intercambiador de calor de flujo

cruzado con el lado frío (carga) mezclado.

Type 11h Tee Piece

Modela el comportamiento de una válvula

en T con dos entradas de líquido que se

mezclan en un solo flujo másico.

Type 112b Single Speed

Fan/Blower

modela un ventilador que es capaz de girar

a una única velocidad y por lo tanto

mantener una tasa de flujo de masa

constante de aire.

Type 22 Iterative

feedback

controller

Este componente calcula una señal (u)

requerida para mantener controlada una

variable (y) bajo un valor establecido (yset)

Type 33e Psychrometrics:

Dry Bulb and

Relative

Humidity

Known

Este componente tiene como entrada la

temperatura de bulbo seco y la humedad

relativa del aire y devuelve las

correspondientes propiedades del aire

húmedo: Temperatura de bulbo seco,

temperatura del punto de rocío, la

temperatura de bulbo húmedo, la humedad

relativa, la relación de humedad absoluta, y

entalpía.

Type 33c Psychrometrics:

Dry Bulb

Temperature

and Humidity

Ratio Known

Este componente tiene como entrada la

relación de la temperatura de bulbo seco y

la humedad absoluta del aire y devuelve las

correspondientes propiedades del aire

húmedo: Temperatura de bulbo seco,

temperatura del punto de rocío, la

temperatura de bulbo húmedo, la humedad

relativa, la relación de humedad absoluta, y



entalpía.

Type 14h Time Dependent

Forcing

Function

Este componente es utilizado para

programar funciones que dependan de un

patrón que se repite en el tiempo.

Type 55 Periodic

Integrator

Este componente integra en el tiempo

algunas estadísticas básicas.

Type 25c Printer – No

Units

Este componente es utilizado para reportar

las variables del sistema que son requeridas

para un intervalo de tiempo definido.

Type 65d Online Plotter

Without File

Este componente es utilizado para mostrar

variables del sistema definidas, mientras

que la simulación es procesada

Type 24 Quantity

Integrator

Este componente integra series de

cantidades a lo largo de un periodo de

tiempo.

- Equations

En este componente es posible programar

ecuaciones que pueden estar en función de

las salidas de otros componentes, valores

numéricos u otras ecuaciones previamente

definidas.

Figura 18. Descripción de ‘Types’ usados en el simulador

2.1.3.3 TRNedit

En las simulaciones, es importante poder modificar parámetros para posteriormente

tener la posibilidad de optimizar. TRNedit es la herramienta dentro de TRNSYS que nos

permite fabricar tablas paramétricas y con ellas y sin necesidad de alterar el simulador

poder tener resultados desde una gran cantidad de parámetros, a continuación se muestra

una imagen de TRNedit.



Figura 19. Imagen que muestra TRNedit con una tabla paramétrica

2.1.3.4 Integración del sistema.- En apartados anteriores hemos mencionado los componentes que se interconectaron para

el sistema que provee energía solar térmica para un proceso de secado de cascara de

naranja, pero para validar el sistema es necesario mostrar por medio de graficas el

comportamiento, ya que al ser un simulador evitamos la experimentación física; pero, las

gráficas nos dan la referencia suficiente para asumir un comportamiento real, además que

TRNSYS está reconocido entre los investigadores del ramo de la energía como una

poderosa herramienta confiable.

-Interconexión.

La interconexión entre “Types” se realiza después de elegir la relación que existe entre

ellos y la dirección de flujo, en la siguiente figura se muestra un esquema que representa

estas interconexiones:



Figura 20. Esquema de interconexión entre “Types”

-Datos climáticos.

TRNSYS cuenta con una amplia información climática de varias partes del mundo,

pero este trabajo fue realizado para Hermosillo Sonora, México y los datos de esta ciudad

no se encuentran en la base de datos del simulador; para solventar esta situación se

solicitaron los datos en Meteonorm que se presentan a continuación:



Figura 21. Datos climáticos de Hermosillo Sonora (Meteonorm, 2014)



Con los datos aportados por meteonorm se realizó una base de datos para alimentar el

generador de clima del simulador, la base de datos se alimenta de la temperatura ambiente

promedio mensual (°C), la humedad absoluta promedio mensual (kgagua/kgaire), el promedio

mensual de la radiación solar global horizontal (kJ/m2), la latitud y el nombre de la ciudad.

Para poder alimentar estos datos es necesario convertir la humedad relativa que nos da

meteonorm a humedad absoluta mediante la ecuación:

ω=

(Moran, 2011) donde Pv= ϕPg

P= presión atmosférica

ϕ= humedad relativa

Pg= Presión de saturación

El resultado de esta operación se multiplica por 10000

Los datos de radiación de metoenorm se muestran a continuación:



Figura 22. Comportamiento de la radiación y temperatura de Hermosillo Sonora (Meteonorm, 2014)

La conversión de kWh/m2 a kJ/m

2 se da multiplicando el valor de kWh/m

2 x 3600 y los

datos de insolación se validaron en la tabla siguiente:



Figura 23. Insolación global en México (R. Almanza S., 1997)



La siguiente tabla es la base de datos con promedios mensuales con que se alimenta el

generador de clima:

Figura 24. Base de datos climáticos de Hermosillo Sonora, México

El generador de clima es incapaz de interpolar los datos de radiación solar para ser más

preciso en el comportamiento de los colectores, además, no contempla la posibilidad de

orientar el colector con respecto a los ángulos azimutal y slope, por lo que resulta necesario

el apoyo para este fin con el procesador de radiación solar.

Mediante las siguientes imágenes estaré representando el comportamiento de la

temperatura, la humedad relativa y la radiación global anual en Hermosillo Sonora.

Radiación global

horizontal (kJ/m2)

Humedad

absoluta

(kgagua/kgaire)

Temperatura

ambiente (°C)



Figura 25. Gráfica del comportamiento de la Temperatura (°C) y la HR

La grafica muestra la relación que hay entre la temperatura y la humedad relativa,

podemos ver que al inicio del año la temperatura es relativamente baja y a temperaturas

bajas la humedad relativa es alta, luego en los meses cálidos hay un aumento de

temperatura y una consecuente disminución de la humedad relativa; pero, al iniciar la

temporada de lluvias vemos una temperatura relativamente alta y un aumento en la

humedad relativa esto es a consecuencia de una humedad absoluta mayor; y al termino del

año tenemos una disminución de la temperatura al entrar el invierno.

Humedad relativa

Temperatura

ambiente °C



Figura 26. Gráfica con acercamiento de la relación HR-Temperatura

Figura 27. Gráfica del comportamiento de la radiación solar en una superficie inclinada (W/m2)

Esta grafica es muy representativa en cuanto a la importancia de orientar adecuadamente

los colectores solares, ya que vemos que el comportamiento de la radiación durante el año

es constante, dependiendo, claro de una orientación correcta de la superficie colectora para

aprovechar mejor la radiación solar en los meses de más baja intensidad.

Radiación solar

en W

Temp. Ambiente en

°C

Humedad relativa

Temperatura

ambiente °C



-Ciclo hidráulico y de colección solar.

El circuito que se propone para colectar la energía proveniente del sol, es un circuito

cerrado, con agua como fluido de trabajo, el Cp del agua líquida a 25°C es de 4.190 kJ/kg∙K

lo que la hace apropiada para almacenar energía en ella, y se supone libre de perdidas por lo

que no se considera necesario conectarlo a la red pública, el colector solar es de tubos

evacuados, la tabla siguiente muestra las características del colector.

Figura 28. Datos del colector solar (Apricus Solar Co., 2013)

El sistema está diseñado para ser usado en Hermosillo Sonora, México ciudad ubicada

en Latitud 29°,06´ norte, el colector solar debe ser orientado con un ángulo azimutal igual a

cero y el ángulo slope de la superficie (inclinación) con respecto al plano horizontal, en

relación a un día del año, se determinó con la relación empírica de Cooper:

(Baccoli et al., 2010)

Donde:

δ= Angulo de inclinación

Φ= Latitud geográfica

n= día solar del año

Se calculó el promedio general del año y el ángulo slope resultante fue: 28.95°, como la

relación de Cooper es una aproximación y por cuestiones prácticas, se determinó usar en el

simulador un ángulo de 30°.

El uso de un termo tanque resulta necesario ya que recoge el agua que regresa del

intercambiador de calor a una temperatura por lo general mayor que la que proporciona el

servicio público, y una bomba hidráulica la extrae del termo tanque para llevarla a la red de

colectores para que estos le eleven la temperatura y regresarla al termo tanque con una

temperatura mayor, al estar estratificado el termo tanque se evita que el agua se mezcle y de

esta manera mantiene separada el agua aprovechando la diferencia de temperaturas en ella.



Figura 29. Temperaturas de entrada y salida del agua del termo tanque en °C

La gráfica nos muestra muy representativamente el comportamiento de la temperatura

del agua al salir del intercambiador de calor y entrar al termo tanque y la temperatura del

agua al salir del termo tanque. Las parábolas de la gráfica muestran el periodo diario de

funcionamiento del sistema; se puede apreciar que el agua sale del intercambiador de calor

con una temperatura menor y al salir de los colectores solares y en consecuencia del termo

tanque, el agua ya elevo su temperatura.

En los procesos termo-solares y sobre todo en los procesos industriales resulta

altamente conveniente contar con una caldera que funcione con algún combustible

tradicional, esto porque la disponibilidad de la energía solar no es constante y depender

totalmente de ella sería inapropiado, además, que el uso de una caldera de gas nos permite

controlar la temperatura del fluido de trabajo lo que resulta en una conveniencia más.

Figura 30. Grafica representativa del porcentaje de aporte entre energía solar y energía tradicional en MJ

Temperatura del H2O de salida del

Termo Tanque Temperatura del H2O de entrada al

Termo Tanque proveniente del HX



La grafica anterior nos muestra porque resulta necesario al apoyo de una caldera de gas,

ya que de no incluirla en el sistema, este resultaría ineficaz.

En la gráfica siguiente se muestra la temperatura del agua al salir del termo tanque y la

temperatura al salir de la caldera, es evidente que el apoyo de la caldera nos facilita el

mantener una temperatura de operación estable y constante, además de aportar la energía

que faltaría para atender el proceso de secado.

Figura 31. Grafica de temperaturas del agua en °C.

El agua después de salir de la caldera está en condiciones de entrar al intercambiador de

calor para ceder; al aire, la energía térmica que lleva almacenada, solo que antes de llegar al

intercambiador, y con intención de hacer más eficiente el sistema, pasa primero por una

válvula diversiva que es controlada por un controlador iterativo que censa la temperatura

del aire y determina el camino más propio para el agua; ya sea al intercambiador de calor o

de nuevo al termo tanque con apoyo de una bomba hidráulica.

-Ciclo del aire.

El objetivo general de este trabajo es aportar la energía que se requiere para secar

cascara de naranja, y el método que se propone es el de secado por convección forzada; así

que, el insumo principal para el proceso es aire caliente (60-65°C), con una humedad

relativa (ϕ) baja para que al entrar a la cámara de secado sea capaz de remover la mayor

cantidad posible de agua del producto.

Temp de entrada al TT Temp de salida del TT

Temp de salida de la

caldera



El aire entra impulsado por un abanico a un intercambiador de calor de flujo cruzado

bajo condiciones ambientales, en su paso por el intercambiador de calor recibe energía

térmica del agua que va a 92°C y eleva su temperatura hasta la óptima de operación. La

humedad relativa del aire es dependiente de la humedad absoluta que tenga el aire y de la

temperatura, por lo que tenemos una variable inconsistente durante todo el año.

Figura 32. Comportamiento de la temperatura del aire en el año en °C

Figura 33. Grafica de la relación temperatura del aire-HR de entrada al HX

Temperatura ambiente

en °C

Humedad relativa



El aire al salir del intercambiador lleva una temperatura mayor y estable y una humedad

relativa menor, siendo de esta manera apto para ingresar a la cámara de secado y cumplir

con su función.

Figura 34. Grafica de las características del aire al salir del HX

2.2. Análisis paramétrico

2.2.1. Parámetros de diseño a analizar

Los análisis paramétricos son de mucha utilidad en los diseños de ingeniería ya que

ayudan a analizar una mayor cantidad de soluciones posibles y determinar entre ellas la

óptima.

Figura 35. Esquema básico del análisis paramétrico

Solucion óptima

Numero de colectores

Relacion de termo tanque

Costo del proyecto

Temperatura de

salida (63°C)

Humedad relativa de

salida



Resolver matemáticamente un problema de ingeniería es una forma de encontrar una

solución; solo que la relación entre variables nos puede dar una infinidad de soluciones, y

hacer los cálculos para cada una de ellas resulta en mucho tiempo invertido y cabe la

posibilidad de imprecisiones. Mediante el análisis paramétrico; y apoyados en TRNedit y

Microsoft Excel podemos, sin invertir mucho tiempo analizar una gran variedad de

parámetros, una gran cantidad de veces y posteriormente optimizar nuestro diseño.

En nuestro proyecto, decidimos analizar dos parámetros independientes y uno

dependiente, la cantidad de colectores solares y la relación del termo tanque, y el costo del

proyecto respectivamente, para con ellos determinar la mejor opción de solución al

problema planteado.

2.2.2. Análisis paramétrico del desempeño anual

El parámetro de colector solar se analizó en bloques de cinco en cinco, primero, luego de

10 en 10 partiendo de cinco hasta llegar a 220 para el proyecto de 5 toneladas y 500 para el

proyecto de 10 toneladas, y el de la relación de termo tanque de diez en diez, partiendo de

diez hasta llegar a 100, la combinación de estos parámetros nos proporciona un análisis

paramétrico amplio, que nos permite llegar a optimizar los proyectos. Mediante TRNedit se

tiene la posibilidad de hacer las corridas paramétricas del sistema propuesto en TRNSYS.

Figura 36. Imagen de TRNedit que muestra la preparación de una corrida paramétrica



Esta corrida paramétrica se diseña para que recabe los datos anualmente y los envié a

un archivo de Excel para su posterior análisis y construcción de gráficas.

Figura 37. Muestra de resultados del análisis paramétrico

La grafica 37 muestra los resultados en Excel que arroja al análisis paramétrico anual,

los datos que son relevantes para poder posteriormente optimizar el sistema son la cantidad

de energía que es aportada por los colectores solares y la consecuente aportación por gas.

2.2.3 Optimización del diseño basado en análisis paramétrico y económico

Después de analizar el comportamiento del sistema con los diferentes parámetros que

intervienen en el, y agregando el análisis económico, se puede elegir la configuración

óptima que atienda las necesidades técnicas y sea más redituable económicamente. Resulta

importante destacar que este sistema está diseñado para secar 10 toneladas de cascara de

naranja en 12 horas de servicio ó 5 toneladas del mismo producto en 10 horas; la decisión

final la tiene obviamente el usuario pero aquí mostraremos el comportamiento en los dos

casos.

Para apoyar el análisis paramétrico y de optimización usamos el software de Microsoft

Excel, ya que cuenta con herramientas para hacer gráficos, gráficos dinámicos, análisis

económicos, programación de fórmulas en Visual Basic, filtro selectivo, etc.

Se hicieron una cantidad suficiente de corridas paramétricas, las que presentó a

continuación son las que muestran en su comportamiento el punto de inflexión, este, sirve

para determinar el punto óptimo.



Corrida para 5 toneladas con 144 parámetros.-

Los valores fijos en esta simulación son los siguientes:

Flujo de agua = 12000 kg/hr

Flujo de aire = 17000 kg/hr

UA = 20000 kJ/hr °C

Tiempo de operación = 10 horas

El comportamiento de la primera corrida paramétrica lo analizaremos a continuación:

Figura 38. Gráfica del comportamiento del sistema con 144 parámetros para 5 toneladas

Vemos en la figura 38 que el punto de inflexión esta en 200 colectores y que el sistema

con 200 colectores y una relación de termo-tanque de 50 es la mejor opción, ya que la

relación de termo-tanque mínima recomendada es de 50 (SAGARPA, 2011), seleccionamos

la combinación de 200 colectores con una relación de termo-tanque de 50. La grafica se

construye con los datos de los 144 parámetros y con el resultado del costo total para poder

elegir el óptimo.

Figura 39.Tabla de resultados de la optimización con 144 parámetros para 5 toneladas

La figura 39 nos muestra el resultado óptimo, que arrojó el análisis del sistema con 144

parámetros, resultado de la combinación entre cantidad de colectores solares (200) y

relación de termo-tanque (50).

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

50

55

60

65

70

75

80

85

90

COLECTORES TERMOTANQUES Q COLL(MJ) QAUX(MJ) %SOLAR COSTO EQUIPO COSTO OPERACIÓN COSTO TOTAL

200 9 3,385,382.76 134,419.03 96.00% $2,482,694.00 $960,895.40 $3,443,589.40

# de colectores solares

Relación de termo tanque L/m2



Figura 40. Grafica de aporte por tipo de energía

Es de mucha importancia conocer el porcentaje de aporte de energía por medio del sol,

ya que este mismo proyecto pero con uso de gas en su totalidad presenta un costo mayor.

COSTO ENERGIA 1ER AÑO COSTO PROYECTO SIN SOL COSTO USANDO ENERGIA SOLAR %

AHORRO

$799,954.95 $25,161,328.32 $3,443,589.40 86.31%

Figura 41. Porcentaje de ahorro al usar energía solar.

Para poder determinar el costo total del proyecto se hace un análisis de proyección a 25

años, ya que es el tiempo de vida útil propuesto por el proveedor de equipos para el

aprovechamiento de la energía solar.

Q COLL(MJ) 96.18%

QAUX(MJ) 3.82%

Aporte Solar



Para determinar el costo total del proyecto se deben tomar en cuenta las siguientes

consideraciones:

Costo de equipo

EQUIPO MARCA MODELO COSTO EN $ (MXN)

COLECTOR SOLAR DE TUBOS EVACUADOS

APRICUS AP-30 $8,500.00

TERMO-TANQUE SWIMQUIP

SKU 3113-017 (5000 Lts) 86,966.00

Figura 42. Tabla que muestra el costo de equipo

La capacidad del tanque de almacenamiento (L) se obtiene por la multiplicación del

área neta de los colectores (m2) y la relación de termo-tanque (L/m2)

Costo de operación

Para el costo de operación se consideran como principal factor el precio del

combustible utilizado por el calentador auxiliar (gas LP) y la proyección económica

a 25 años.

a) Inflación.

El comportamiento inflacionario resulta determinante para hacer un análisis

económico, ya que representa las fluctuaciones de precios en mercancías y

servicios. En este caso se utiliza un índice de inflación del 4%.



Figura 43. Gráfica del comportamiento inflacionario (BancodeMéxico, 2014)

b) Precio actual del gas LP

El precio actual del gas LP es de $13.75 pesos por kilogramo para el Estado de

Sonora (AMEXGAS, 2014), y el kg de gas LP (mezcla nacional) equivale a

49504.13 kJ (ComisionReguladoradeEnergia, 2014) por lo que el precio por kJ

es de $0.00027 MXN.

c) Aumento del precio del gas

El aumento del precio del gas se proyecta en 9% anual (Martín-Dominguez,

2011)

d) Costos a valor presente



Para el cálculo del costo a valor presente nos apoyamos en la función GPWF

(Gradient Present Worth Factor) (STOECKER, 1989), la cual sirve para hacer

una proyección del valor de un bien en relación al comportamiento económico

dependiente del tiempo; es decir, el costo total actual del proyecto analizado en

el trascurso de los años (25 en este caso).

En donde:

PC = (Costo del combustible al final del año). Este costo se determinó

en base al resultado de la corrida de simulación.

Aux= cantidad de energía aportada por el calentador auxiliar al flujo

másico de agua.

Eff = porcentaje de eficiencia que le aplica al calentador auxiliar.

Pg= precio del gas establecido.

n= número de periodos a analizar

i = inflación anual

G =gradiente, el cual se calcula multiplicado el aumento anual en el

precio del combustible por el costo del combustible al final del año.

El costo total del proyecto se determina con la suma aritmética del costo del equipo más

el costo de operación.



Figura 44. Grafica comparativa de la aportación al costo del proyecto

En la gráfica anterior se puede observar que el costo del equipo es el que más representa

en el costo total del proyecto, esto nos invita a reflexionar en la gran oportunidad que

tenemos de aprovechar la energía solar en los procesos industriales y de esta forma

disminuir el gasto de operación, y las emisiones ambientales.

COSTO EQUIPO 72%

COSTO OPERACIÓN

28%

Costos



Corrida para 10 toneladas con 84 parámetros.-

Los valores fijos en esta simulación son los siguientes:

Flujo de agua = 20000 kg/hr

Flujo de aire = 30000 kg/hr

UA = 38000 kJ/hr °C

Tiempo de operación = 12 horas

Se muestra a continuación el comportamiento económico de esta propuesta.

Figura 45. Gráfica del comportamiento del sistema con 84 parámetros para 10 toneladas

La optimización del sistema para 10 toneladas con 84 parámetros se determina basada

en la tabla siguiente, que muestra el costo total del proyecto.

Figura 46.Tabla de resultados de la optimización con 84 parámetros para 10 toneladas

8000000

9000000

10000000

11000000

12000000

13000000

14000000

15000000

16000000

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

50

60

70

80

90

100

COLECTORES TERMOTANQUES Q COLL(MJ) QAUX(MJ) %SOLAR COSTO EQUIPO COSTO OPERACIÓN COSTO TOTAL

460 50 7,795,453.68 403,961.36 95.07% $5,736,286.00 $2,887,720.68 $8,624,006.68



El porcentaje de aportación de energía por medio del sol seria el siguiente:

Figura 47. Grafica de aporte por tipo de energía

El porcentaje de ahorro económico al usar energía solar se muestra a continuación:

COSTO ENERGIA 1ER AÑO COSTO PROYECTO SIN SOL COSTO USANDO ENERGIA SOLAR %

AHORRO

$1,863,503.42 $58,613,577.24 $8,624,006.68 85.31%

Figura 48.Tabla de porcentaje de ahorro al usar energía solar.

Se utilizan las mismas ecuaciones para el cálculo de las condiciones económicas, por lo

que el comportamiento económico, en lo referente a porcentaje de aportación al costo entre

el equipo y el costo de operación, se muestra en la siguiente figura.

Q COLL(MJ) 95%

QAUX(MJ) 5%

Aporte Solar



Figura 49. Grafica comparativa de la aportación al costo del proyecto

COSTO EQUIPO 67%

COSTO OPERACIÓN 33%

Costos



3. Resultados y discusión

En este apartado se hará un análisis del comportamiento de las dos configuraciones

propuestas; para poder con ello determinar; basado en las necesidades térmicas y en las

consideraciones económicas, la mejor propuesta.

La primera consideración será el porcentaje de aportación energética por configuración.

Figura 50. Porcentaje de aporte de energía solar por configuración

En la gráfica anterior se ve una ligera ventaja de la configuración de 200 colectores para

atender 5 toneladas diariamente sobre la otra propuesta, esto debido a que la configuración

que atiende las 10 toneladas es más robusta en cuanto a la cantidad de aire a calentar, y

requiere de mayor aporte de energía por medio del gas LP.

Resulta conveniente ver de la cantidad de energía total que requiere el sistema, cuanta

es aportada por el sol y cuanta por el gas LP.

96.00% 95.07%

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

5 TON 200 COLL 10 TON 460 COLL

% DE APORTE SOLAR

%SOLAR



Figura 51. Cantidad aportada por tipo de energía

En las dos graficas anteriores analizamos el comportamiento térmico; ahora resulta

conveniente analizar el comportamiento económico para poder determinar el sistema

óptimo.

Figura 52. Tabla comparativa del costo en pesos mexicanos por configuración

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000


APORTE POR TIPO DE ENERGIA

Suma de QAUX(MJ)

Suma de Q COLL(MJ)

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

10000000


Suma de COSTO EQUIPO

Suma de COSTO OPERACIÓN



Figura 53. Costo total en pesos mexicanos del proyecto por configuración a 25 años

En la tabla de la figura 53 vemos el costo total del proyecto al utilizar energía solar; pero

resulta altamente tentador el ver cuál sería el costo del mismo proyecto, usando únicamente

energía convencional; en la gráfica siguiente vemos el comparativo económico con

proyección a 25 años del sistema convencional contra el sistema hibrido.

Figura 54. Tabla comparativa entre sistema convencional contra sistema hibrido

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

10000000


Costo Total

Total

$58,613,577.24

$25,161,328.32

$8,624,006.68 $3,443,589.40


Comparativo de costo convensional vs

costo hibrido (sol-gas)

Suma de COSTO SIN SOL Suma de COSTO TOTAL



La figura 54 nos aporta información relevante acerca del impacto económico que

resulta al incluir energía solar en los procesos productivos, en la gráfica siguiente veremos

el porcentaje de ahorro económico que aporta cada configuración.

Figura 55. Porcentaje de ahorro económico al usar energía solar

El sistema que mejor desempeño ha demostrado hasta ahora es el de 5 toneladas con

200 colectores, en la gráfica siguiente se muestra el desempeño general de cada sistema.

Figura 56. Desempeño general de los sistemas propuestos

85.31% 86.31%

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


% de Ahorro con sol

Total

0100000020000003000000400000050000006000000700000080000009000000

10000000

96.00% 95.07%

200 460

Co

sto

to

tal

% de aportacion solar y No de Colectores

Analisis general

Total



En la figura 56 se compara el comportamiento general de los 2 sistemas propuestos, en

el eje de las ordenadas se muestra el costo total de cada sistema, mientras que en las

abscisas se muestra la cantidad de colectores y el porcentaje de aportación de energía solar,

los datos fueron extraídos de la tabla siguiente:

Figura 57. Tabla de análisis general de las propuestas

Figura 58. Comportamiento de la temperatura en °C del aire al entrar y salir del HX

En la figura 58 se muestra el comportamiento de la temperatura del aire al entrar y salir

del intercambiador de calor, cabe aclarar que el comportamiento en los dos sistemas

propuestos es muy similar por eso solo se presenta una gráfica.

El objetivo general de este proyecto es bajar la humedad relativa de cierta cantidad de

flujo másico de aire para con el secar cascara de naranja, en la tabla y grafica siguiente

haremos ese análisis.

CORRIDA COLECTORES TERMOTANQUES Q COLL(MJ) QAUX(MJ) %SOLAR COSTO EQUIPO COSTO OPERACIÓN COSTO TOTAL COSTO SIN SOL %AHORRO C/SOL

5 TON 200 COLL 200 9 3,385,382.76 134,419.03 96.00% $2,482,694.00 $960,895.40 $3,443,589.40 $25,161,328.32 86.3%

10 TON 460 COLL 460 50 7,795,453.68 403,961.36 95.07% $5,736,286.00 $2,887,720.68 $8,624,006.68 $58,613,577.24 85.3%



Figura 59. Tabla del comportamiento anual del sistema respecto a condiciones del aire

La tabla anterior nos muestra varias características del aire en el proceso de secado;

muestra la humedad relativa (ϕ) de entrada y salida, la humedad absoluta (ω) de entrada-

salida del HX, la de salida supuesta del secador y el Δω, las temperaturas de entrada y

salida del HX y con estos datos se calcula la cantidad de agua que es capaz de remover el

sistema. Los datos fueron extraídos del simulador TRNSYS y de la tabla psicrométrica de

alta temperatura. A continuación analizaremos algunas gráficas para apoyar este análisis.

Figura 60. Comportamiento anual de la humedad relativa al entrar y salir del HX

MES TIME %HRinHX %HRoutHX ωINairHX tINairHX ωINairDRY tINairDRY ωOUTairDRY Δω mAir(kg/hr) Hremovida(hr) HremovidaTotal 10 HORAS W 20 HORAS W

ENERO 730.00 43.00 4.27 51 16.8 6.1 63 20.3 14.2 17000 241400 463.3753071 4633.75307 9267.50614

FEBRERO 1460.00 39.00 3.22 50 18.2 4.5 63 18.5 14 17000 238000 456.8488943 4568.48894 9136.97789

MARZO 2190.00 31.00 5.49 48 21.2 7.6 63 21.7 14.1 17000 239700 460.1121007 4601.12101 9202.24201

ABRIL 2920.00 27.00 4.15 52 24.7 5.8 63 20.3 14.5 17000 246500 473.1649263 4731.64926 9463.29853

MAYO 3650.00 25.00 7.46 62 29 10.4 63 22.8 12.4 17000 210800 404.6375921 4046.37592 8092.75184

JUNIO 4380.00 31.00 9.75 95 32.5 14 63 26 12 17000 204000 391.5847666 3915.84767 7831.69533

JULIO 5110.00 46.00 11.45 146 33.1 15.8 63 27.8 12 17000 204000 391.5847666 3915.84767 7831.69533

AGOSTO 5840.00 52.00 5.92 158 32.2 8.5 63 21.7 13.2 17000 224400 430.7432432 4307.43243 8614.86486

SEPTIEMBRE 6570.00 50.00 3.51 142 31.1 4.7 63 18.5 13.8 17000 234600 450.3224816 4503.22482 9006.44963

OCTUBRE 7300.00 44.00 3.95 93 26.2 5.3 63 19.7 14.4 17000 244800 469.9017199 4699.0172 9398.0344

NOVIEMBRE 8030.00 40.00 4.48 62 21.1 6.3 63 20.5 14.2 17000 241400 463.3753071 4633.75307 9267.50614

DICIEMBRE 8760.00 43.00 3.94 49 16.2 5.3 63 19.6 14.3 17000 243100 466.6385135 4666.38514 9332.77027

0

10

20

30

40

50

60

Suma de %HRinHX

Suma de %HRoutHX



Figura 61. Comportamiento anual de la humedad absoluta al salir del HX y al salir del secador

Para los cálculos de la humedad absoluta (ω) de salida del secador asumimos que la

humedad relativa (ϕ) sale a 80%.

En la figura 59 también calculamos la cantidad de producto que se puede secar por

turno de trabajo; ya sea, en 10 horas o en 12 horas, para lograr esto hacemos los siguientes

cálculos:

Con Δω y el flujo másico de aire, calculamos la cantidad de agua que se remueve en el

secador por hora, y al dividir entre 520.96 que son los gramos de agua que hay que remover

por kilogramo de cascara de naranja, calculamos la cantidad de cascara que podemos secar

por hora, al multiplicar esto por la cantidad de horas de operación calculamos el total de

cascara a secar.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Suma de ωOUTairDRY

Suma de ωOUTairHX



4. Conclusiones y recomendaciones

El sistema que muestra mejor desempeño térmico y económico es el que funciona con

200 colectores solares de tubos evacuados con heat pipe y con una relación de termo-tanque

de 50, lo que sería 9 termo-tanques de 5000 lts. Por lo que este sistema es la recomendación

lógica; además, el sistema que funciona 10 horas al día atiende aproximadamente 5

toneladas pero resulta mejor tener dos sistemas, que usarlo 12 horas con flujos más grandes

ya que los costos de operación resultan mucho más caros, pero la decisión final la toma el

usuario dependiendo de sus necesidades y proyecciones.

Se recomienda trabajar en el diseño del secador industrial hibrido para cascara de

naranja ya que en la búsqueda bibliográfica se encontraron varios secadores híbridos para

productos alimenticios pero no para cascara, y se encontraron algunos para cascara de

naranja pero muy pequeños y sin sustento matemático.



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