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DETERMINACIÓN NUMÉRICA DE LA EFICIENCIA TÉRMICA DE TRES

COLECTORES SOLARES DE AIRE PARA SU UTILIZACIÓN EN EL SECADO DEL CACAO

PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDERPhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL

PhD. MARCELO ALDANA DANIELPhD. LA MADRID OLIVARES RAUL

Sección EnergíaUniversidad de Piura

Av. Ramón Mugica 131, Piura

INTRODUCCIÓN

• Los granos de cacao son semillas que provienen de los árboles del cacao.

• Estos crecen en las zonas rurales de la costa y selva, y son recolectadas y transformadas en semillas de cacao seco.

• Actualmente, la transformación del cacao seco es realizado por medios artesanales.

• Este proceso demora aproximadamente 10-12, generando cuellos de botella en la línea de producción.

• Recientemente, el gobierno peruano está promoviendo investigaciones e innovaciones tecnológicas de manera a optimizar la producción del cacao.

• Parte de estas investigaciones están enfocadas al desarrollo de prototipos de secador solar indirecto para el secado de cacao.

• Estos prototipos, generalmente consisten de una cámara de secado y un colector solar de aire

Colectores solares indirectos

Colector solar de aire

Colector solar de aire

Drying chamber

Drying chamber

INTRODUCCIÓN

PROPÓSITO DE LA INVESTIGACIÓN

Diseño y análisis(*) del colector solar y la cámara de

secado capaz de cubrir el requerimiento energético de

un secador solar de 100 kg de cacao por lote.

(*) Para ellos se empleará herramientas sofisticadas basada en la

Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD).

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN COLECTOR SOLAR DE AIRE

DE 1 PASO

Entrada

de aire

Placa

absorvedora

Cubierta

de vidrio

Material

aislante

Salida de

aire

Sol

viento

METODOLOGIA DE ANÁLISIS/DISEÑO

1. Construcción de un modelo CFD que simula el funcionamiento de un colector solar.

2. Validación del modelo CFD construido a través de datos experimentales.

3. Análisis de colectores solares de distintas configuraciones.

4. Diseño del secador solar (colector solar y cámara de secado) que atiendan los requerimientos de 100 kg/lote de cacao.

DINÁMICA DE LOS FLUIDOS

COMPUTACIONAL (CFD)

PROBLEMA REAL

Hipótesis Simplificadoras

Sistema Físico

Modelo Matemático

Modelo Experimental

Analítico Numérico

Integral DiferencialTécnicas

Experimentales

PrevisionesPrevisiones

Discretización

Geometría

Config. del problema

Resolución de las ecs. discretizadas

Modelado enCFD

Resultadosexperimentales

Resultadosnuméricos

VALIDACIÓN DEL MODELO CFD

Colector solar de 1 pasoMontaje Experimental

(Singh y Kumar, 2012)

Modelo CFD

(Orbegoso et al., 2016)

Vidrio

Aislante

Placa

Aire

Irradiancia solar:

300 – 800 W/m2

Flujos de aire:

- 0.026 kg/s

- 0.017 kg/s

- 0.009 kg/s

- Conv. natural

Temp. ambiente:

24.7 – 30.8 oC

Condicionesde operación

RESULTADOS I – Validación del Modelo CFD

Temperatura media del Aire a la salida del colector de 1 paso

0.026 kg/s

0.009 kg/s

0.017 kg/s

RESULTADOS I – Validación del Modelo CFD

Temperatura puntual de la Placa Absorbente del Colector de 1 Paso

0.026 kg/s

0.009 kg/s

0.017 kg/s

RESULTADOS I – Validación del Modelo CFDIrradiancia

I [W/m2]

Temp.

amb.

Tamb [oC]

Temperatura del aire a la salida

Tair,exit [oC]

Temperatura de la placa

Tplate [oC]

Singh &

Kumar

CFD

Simulation

%

error

Singh &

Kumar

CFD

Simulation

%

error

𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟐𝟔 kg/s

300 27.63 30.93 30.44 1.6 43.15 41.49 3.8

450 26.90 31.54 30.88 2.1 47.31 46.92 0.8

600 27.87 32.52 32.28 0.7 51.96 50.63 2.6

750 27.87 33.25 33.49 0.7 55.50 57.10 2.9

800 30.07 36.31 36.03 0.7 59.78 61.20 2.4

𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟏𝟕 kg/s

300 28.85 32.64 32.21 1.3 47.19 44.30 6.1

450 28.61 33.13 32.66 1.4 52.32 47.91 8.4

600 28.61 34.60 34.27 1.0 57.95 55.78 3.7

750 29.58 37.16 36.69 1.3 63.94 64.07 0.2

810 30.81 38.63 38.50 0.3 65.65 68.19 3.9

𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟎𝟗 kg/s

300 29.34 36.43 34.43 5.5 54.16 48.67 10.1

450 30.07 38.26 37.60 1.7 62.47 59.13 5.3

600 30.07 39.85 39.81 0.1 69.07 68.22 1.2

750 29.34 40.71 40.91 0.5 75.06 75.53 0.6

800 30.07 42.54 41.94 1.4 78.73 78.04 0.9

Convección Natural

300 24.69 35.57 33.73 5.2 53.91 46.83 13.1

450 24.94 38.51 37.59 2.4 64.67 57.35 11.3

550 24.69 38.88 39.89 2.6 68.34 64.27 6.0

600 25.43 40.22 41.70 3.7 71.27 68.23 4.3

650 25.43 41.81 43.40 3.8 74.21 72.34 2.5

700 25.43 43.03 44.22 2.8 77.38 74.87 3.2

750 24.94 44.25 44.71 0.6 79.46 77.09 3.0

800 26.16 46.09 46.69 1.3 82.40 80.75 4.3

Temperatura aire salida[oC]

RESULTADOS II: análisis colector 1 paso

Temperatura media placa[oC]

RESULTADOS II – Análisis Colector 1 PasoCASO 1: 0.026 kg/s

CASO 2: Convección Natural (0.004 kg/s)

Temperatura del aire

Temperatura del aire



RESULTADOS III – Análisis Colectores

1 Paso y 3 Pasos

1paso

3 pasos – tipo A

Taire = 41.9 oC

Qabs,aire= 94 W

3 pasos – tipo B

Tplaca = 78 oC

ηTr = 28.4 %

Taire = 44.1 oC

Qabs,aire= 127 W

Tplaca = 65.2 oC

ηTr = 38.2 %

Taire = 47.4 oC

Qabs,aire= 157 W

Tplaca = 63.4 oC

ηTr = 47.4 %

Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓𝒆 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟗 kg/s

Capacidad = 100 kg cacao/lote

Colector solar de 3 pasos tipo B

Tamb = 30.1 oC 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s

𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔 ∶ 𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚

Aire frio

Aire caliente

Aire frio

Aire caliente

Con material de almacenamientoSin material de almacenamiento

CASO DE ANÁLISIS/DISEÑO

RESULTADOS IV – Análisis Estacionario Colector Real 3 Pasos – tipo B

Con material de almacenamiento

Taire = 43.6 oC

Qabs,aire= 831 W

ηTr = 68.2 %

Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s

Sin material de almacenamiento

𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚

Taire = 62.6 oC

Qabs,aire= 1484 W

ηTr = 23.2 %

Qabs,matalm= 2535 W

Qtotal= 4363 W

Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚


Tplaca = 57.6 oC

Sin material de almacenamiento

Tplaca = 81.1 oC

Tmat alm = 48.2 oC

Ealm = 21.3 MJ

Que es equivalente a uma reserva de 1000 W durante 6 horas

RESULTADOS IV – Análisis Estacionario Colector Real 3 Pasos – tipo B

Parámetros ambientales media 5 años (Estación Meteorológica Universidad de Piura)

0 5 10 15 20 250

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo [h]

Irra

dia

ncia

sola

r [W

/m2]

Radiación solar

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Noviembre

Diciembre

0 5 10 15 20 2518

20

22

24

26

28

30

32

34

Tiempo [h]

Te

mp

era

tura

[°C

]

Temperatura ambiente

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Noviembre

Diciembre

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Tiempo [h]

Ve

locid

ad [

m/s

]

Velocidad del viento

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Noviembre

Diciembre

0 5 10 15 20 2545

50

55

60

65

70

75

80

85

Tiempo [h]

Hum

edad [

%]

Humedad relativa

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Noviembre

Diciembre

Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B

𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚


RESULTADOS V – Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B

ENERO

𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚


RESULTADOS V – Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B

PROTOTIPO DEL SECADOR SOLAR (1/2)

CONCLUSIONES

• El modelo CFD para la simulación del colector solar fue validado con resultados experimentales de Singh y Kumar (2012), presentando diferencias porcentuales por debajo de 5.5% en la temperatura del aire a la salida del colector.

• Se determinó que el colector de 3 pasos de tipo B es el mas eficiente de todas las configuraciones aquí estudiadas.

• La eficiencia del colector solar de 3 pasos de tipo B se incrementa cuando se utiliza material de almacenamiento.

• Se diseñó un colector y una cámara de secado para cubrir el requerimiento energético de un secador solar de 100 kg de cacao por lote.

• Ambos equipos demostraron, cada uno, eficiencias de aprovechamiento de la energía térmica que pueden superar el 60%.

PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDERPhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL

PhD. MARCELO ALDANA DANIELPhD. LA MADRID OLIVARES RAUL

Sección EnergíaUniversidad de Piura

Av. Ramón Mugica 131, Piura

GRACIAS!!!

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