Universidad Nacional Mayor de San Marcos CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION

““CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS

MEDICINALES NO TRADICIONALES"MEDICINALES NO TRADICIONALES"

Universidad Nacional Mayor de San MarcosCENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION

EN TERMOFLUIDOS - CEDIT

Integrantes:

CURO Moya , Herve

HUANCAHUARI Yarasca, Eder

LLANTOY Parra, Víctor

SIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo

Asesor:

Ph.D Andrés Valderrama Romero

INTRODUCCIÓN

Uno de los principales problemas en la producción de plantas medicinales es

contar con un método adecuado para su conservación, comercialización y

distribución; el proceso de secado o deshidratación de dichos productos, es la

solución más adecuada.

En el Perú, existen tradiciones relacionadas al uso de energía solar para el

secado de diversos productos agrícolas. Esta labor se lleva a cabo mediante la

exposición directa al sol de estos productos, el método es provechoso pero no

regulable. Esta investigación propone un prototipo de secador solar indirecto

para plantas medicinales no tradicionales, que será diseñado y construido en

base a los principios de Transferencia de Calor y Masa, Termodinámica y Flujo

de Fluidos.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALOBJETIVO GENERAL• Diseño, construcción y puesta en marcha de un prototipo

de secador solar para la reducción de humedad de las plantas medicinales no tradicionales y de este modo incentivar el cultivo de plantas medicinales no tradicionales en las zonas rurales (alto andinas y otras).

OBJETIVOS ESPECIFICOSOBJETIVOS ESPECIFICOS• Calcular la eficiencia del colector solar y el proceso de

secado.• Reconocer las plantas medicinales no tradicionales más

apropiadas para que puedan ser industrializadas.• Determinar el tiempo óptimo de secado de las hojas de las

plantas medicinales no tradicionales consideradas.

Proceso de secado: La Humedad.Proceso de secado: La Humedad.

Humedad Superficial e Interna de un material.

Métodos para hallar la humedad:

–Método Directo.

–Método Indirecto.

DEFINICIONES PREVIASDEFINICIONES PREVIAS

• Humedad en base húmeda.Humedad en base húmeda.

• Humedad en base seca.Humedad en base seca.

Mwb: Es la humedad en base húmeda (Kg. agua / Kg. prod. húmedo)

Mdb: Es la humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod. seco)

Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.)

Ww: Cantidad de agua en el producto húmedo (Kg.)

Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.)

o

do

o

wwb W

WW

W

WM

d

do

d

wdb W

WW

W

WM

Materiales Higroscópicos

“En los materiales higroscópicos la humedad contenida esta usualmente “atrapada” en pequeños capilares cerrados, siendo imposible llegar hasta valores de humedad iguales a cero y por tanto siempre existirá un contenido de humedad residual, como es el caso de las plantas medicinales no tradicionales”.

Secadores Solares.

Secador solar directo Secador solar directo

En este tipo de secadores el producto se usa como superficie absorbente de la radiación solar. En ellos, el secado se realiza en menor tiempo pero también es menos uniforme, con ventajas para las partes del producto directamente expuestas al sol. Es eficiente con productos resistentes a la radiación solar directa.

Secadores Solares.

Secador solar indirectoSecador solar indirecto

Ofrece una mejor calidad del producto, al no incidir sobre el mismo la radiación solar directamente; la manipulación del producto es generalmente más fácil; el control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire.

• Por convección natural

• Por convección forzada

Secadores Solares.

Secador solar mixtoSecador solar mixto

En ellos el producto esta expuesto simultáneamente a la radiación solar directa y al aire previamente calentado con energía solar. Resultan útiles cuando el área es insuficiente para el secado solar directo, con una adecuada circulación de aire pueden producir un secado mas uniforme que este ultimo.

Partes de un secador solar indirecto

El Colector Solar. El Colector Solar.

El cual, consta de una cubierta de vidrio que permite el paso de la radiación solar de onda corta, una placa absorbente formada de una capa de piedras distribuidas uniformemente que permite absorber la radiación de onda corta concentrándola y reflejándola en radiación de onda larga. En el colector se busca elevar la temperatura del aire y reducir su humedad.

La Cámara de Secado.La Cámara de Secado.

Es una cabina cerrada, cuyas dimensiones dependen de la cantidad de plantas a secar y del proceso de secado. Consta de una entrada conectada a la salida del colector y que permite la entrada del flujo de aire caliente, posee un sistema de carga y descarga de las plantas medicinales, para controlar de forma más sencilla el proceso. En la cámara, el aire circundante a las plantas (con alta temperatura) permite remover el agua contenida en ellas.


La Chimenea.La Chimenea.

Es un ducto aislado que permite la evacuación del flujo de aire húmedo de la cámara de secado hacia el ambiente.


Colector

Cámara

Chimenea

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

Se toma en cuenta las variables meteorológicas: velocidad del viento, irradiación solar, latitud, humedad y temperatura de aire (información obtenida del lugar de prueba), :

• Análisis del circuito térmico en un colector de placa plana

• Balance de energía tomando en cuenta el calor absorbido, el calor útil, y las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas.

• Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinándose el área de captación óptima y el área de paso (flujo de aire), con lo cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto).

PRIMERA ETAPAPRIMERA ETAPA: Diseño del colector solarDiseño del colector solar

Análisis del circuito térmico de un colector solar de placa plana

Cubierta (vidrio)

Placa colectora (Piedras)

Aislamiento (Tecnopor)

Sol

R2

R3

R4

RadiaciónIncidente

Reflexión

Absorción R1

Ta

Ta

R1, R2, R4 son resistencias que representan oposición a las perdidas de calor por convección y radiación

R3 representa la resistencia a la conducción a través del aislante térmico en la parte posterior y a los lados del colector

R4 es muy pequeña y despreciable

La finalidad de este análisis es obtener una resistencia equivalente(Req) que es inverso del coeficiente total de perdidas de calor (Up)

ebtl UUUU

Ut es el coeficiente total de transferencia de calor para la parte superior del colector y es

igual al inverso de las de la suma de las 2 primeras resistencias.

21t RR

1U

Ub y Ue, son los coeficientes de pérdida de calor por conducción en el fondo y los lados respectivamente, que tienen que ver con R3

3eb R

1UU

lK

U ab

c'a

e AlMPK

U

Ka = Es la conductividad térmica del aislantel = Espesor del aislante en el fondol’ = Espesor del aislante a los ladosP = Perímetro del colectorM = Altura del colector

Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana

dtdu

QQQ perdutilabs

Ecuación de Balance Energético en colectores de placa planaEcuación de Balance Energético en colectores de placa plana

Qabs (W) = Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo.Qutil (W) = Calor útil que se trasfiere al fluido de trabajo.Qperd (W) = Pérdidas de calor a los alrededores por radiación, convección y conducción.du/dt (W) = Rapidez del cambio de energía interna almacenada en el colector, despreciable.

0dt

du

H (W/m2) = Energía solar incidente.Ac (m2) = Área efectiva del colector.τ = Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colectorα = Absortancia de la placa absorbente del colector

)(cabs HAQ

)1(1

.1..

0

n

n

ρ : Es la refractancia difusa, toma diferentes valores según el número de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta ρ = 0.16

dtdT

mCpQutil

m (kg): Masa de aireCp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluidodT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempo

)( apclperd TTAUQ Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por radiación, convección y conducción Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de absorciónTa: Temperatura del ambiente.

La temperatura media es función del diseño del colector y a su vez este depende de la radiación solar incidente y la temperatura del fluido de trabajo al entrar al colector.

dt

duQQQ perdabsutil

aT

pT

cA

utilQ

lU-S

Reemplazando:

Cubierta (vidrio)

Placa colectora(Piedras)

Aislamiento (Tecnopor)

Aire frío

Aire Caliente

S

h2

h1

hr

Balance energético

Cubierta: 0)()()( 1 cfcprcat TThTThTTU

Placa: 0)()()( 2 pfpcrpab TThTThTTUS

ufpfc qTThTTh )()( 21Fluido:

(-) (+) (+)

(+) (-)(-) (-)

(-) (+)

Fluido

2221

11

))((

))(()()(

hhhUhhU

hUhUUUhUTThhUSTT

rbrt

brbbtrtafrtfp

221

2

))((

))(()(

rrbrt

rbrtbttafrfc hhhUhhU

hUhUUUhUTTShTT

))((1aflu TTUSFq

221

2122111 ))((

)

rrbrt

rtr

hhhUhhU

hhhhhUhhF

)(

))(())((

21221

212121

hhhhhUhh

hhUUhhhhhhUUU

rtr

tbrrtbl

Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por convección, utilizados en colectores solares planos.

NfN

hN

TTTT

h

fN

TT

T

C

NU

w

apmapm

weapm

pm

t

1

112

221

133.012)000591.0(

))(()

1

)(

(

Remplazando en la ecuación de fluido

Despejado de la ecuación de cubierta

Despejado de la ecuación de Placa

Comparando

)07866.01)(1166.0089.01( 2 Nhhf ww

)000051.01(520 2radC

)100

1(430.0pmT

e

N: Numero de cubiertas del colector f, C, e: Constantes dependientes.

SEGUNDA ETAPASEGUNDA ETAPA: Planteamiento de las dimensiones de Planteamiento de las dimensiones de la cámara de secadola cámara de secado

Para el cálculo de las dimensiones de la cámara de secado se toman los parámetroa siguientes: • Cantidad de producto a secar • Area de paso transversal al flujo de aire caliente•Descarga manual de los productos a secar

TERCERA ETAPATERCERA ETAPA: Diseño del Secador SolarDiseño del Secador Solar

Hallados las dimensiones del secador solar indirecto mediante los análisis realizados, se procede a elaborar los planos necesarios para su construcción, haciendo uso de un programa de diseño por computador.

CUARTA ETAPACUARTA ETAPA: Construcción delConstrucción del secadorsecador.

Los materiales empleados para la construcción del secador solar son los siguientes:

Madera Triplay, que se emplea como recubrimiento. Se eligió este material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz.

Teknopor, utilizado como aislante en determinadas zonas internas del secador.

Madera Cedro, se elige este tipo de madera por conservar sus características físicas durante su exposición al sol, comprende la parte estructural del secador.

Piedras de canto rodado (placa absorbente), estas fueron pintadas de color negro para absorber eficientemente la radiación solar.

Vidrio cristal (la cubierta), es de por sí el elemento más importante del colector.

Detalles en fotografias de la construcción del secador.Detalles en fotografias de la construcción del secador.

Detalle del ensamble

Detalle 3D del colector solar Detalle del colector

Detalle de la unión colector y cámara

sdaasddas

Recubrimiento interno del colector

Barnizado del colector solar Recubrimiento interno de la cámara

Detalle interno de la chimenea

DetallesDetalles en fotografias de la construcción del secador.en fotografias de la construcción del secador.

QUINTA ETAPAQUINTA ETAPA:: Ensayos experimentales Ensayos experimentales

Los ensayos de secado de las plantas medicinales empleando el secador solar se realizaron en Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar debido a que existe un clima

cálido y seco todo el año.

a) Instrumentación Se instaló un termómetro en la salida del colector solar, en la cámara de

secado y en la chimenea; asimismo en la cámara de secado se instaló el higrómetro. En la

entrada del colector se instalo un anemómetro y un termómetro digital .

b) Periodo de estabilización térmica Después de instalados los equipos en el secador solar

se espera un periodo de 40 min para el proceso de estabilización térmica, hasta que alcance

la temperatura de operación.

c) Monitoreo de variables Se pesa las plantas medicinales cada 20 min. tomando

simultáneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto de

medición, antes de ejecutar el pesado del producto.

Instrumentos empleados en los ensayos Instrumentos empleados en los ensayos experimentalesexperimentales

Anemómetro

Brújula

Balanza de 0.1g

Termómetros

Higrómetro digital

Termómetro digital

Vista posterior del colectorTermómetro en Chimenea y Cámara

Toma de Datos Termómetro en la salida del colector

Detalles en fotografías de los ensayos Detalles en fotografías de los ensayos experimentalesexperimentales

Plantas Medicinales Coloración Características

Verde Claro

Verde Oscuro

Verde Claro

Verde Oscuro

• Crocante• Mantiene olor característico

• Sensibilidad al tacto• Crocante• Mantiene olor característico

• Sensibilidad al tacto• Crocante• Mantiene olor característico

Resistencia a elevadas temperaturas

Características de las plantas medicinales no tradicionales que fueron secadas en el secador solar

Protocolo de ensayos experimentales

PRODUCTOPRODUCTO: Eucalipto: Eucalipto

IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea Radiación Masa de Masa de plantas plantas

TiempoTiempo

(min)(min)

HumedadHumedad

(%)(%)

T. de E.T. de E.

(ºC)(ºC)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)T de B. T de B.

(ºC)(ºC)HumedadHumedad

(%)(%)

PresiónPresión

(mBar)(mBar)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)(W/m2) (gr)(gr)

0 30 30 38 33,5 26 914 34.5 941,90 100

20 31 29 40 35,5 26 914 36 944,21 97.6

40 25 29 42 37,5 25 914 37 943,02 75.9

60 35 28 41 36 25 915 37 940,71 72.2

80 43 26,4 40 36 26 915 35 937,22 63.2

100 44 27 40 35,5 26 914 36 929,11 59.4

120 41 27 40 36 26 913 36 920,76 56.4

140 42 26,5 40 36 26 913 36 912,65 54.2

160 39 26,8 39 36 26 913 36 895,99 52.2

180 42 26 38 35 27 913 35 878,82 51.8

200 43 25,8 38 35 27 912 35 862,16 51.6

220 46 25 35,5 33 27 912 34 830,00 51.6

Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Muña: Muña

IngresoIngreso Colector SolarColector Solar C. S.C. S. HigrómetroHigrómetro ChimeneaChimenea RadiaciónRadiación Masa de Masa de plantas plantas

TiempoTiempo

(min)(min)

HumedadHumedad

(%)(%)

T. de E.T. de E.

(ºC)(ºC)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)

T de B. T de B. (ºC)(ºC)

HumedadHumedad

(%)(%)

PresiónPresión

(mBar)(mBar)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)

(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)

0 22 31 41,5 37 26 913 37 944,01 100.0

20 22 32,6 43,5 37,5 25 913 37 941,69 88.3

40 33 30,8 45 38,5 25 913 38 939,31 97.3

60 25 30,4 45 39,5 24 913 38 936,99 76.0

80 35 30 45,5 39,5 26 913 35 928,89 65.3

90 36 29,2 45 38,5 26 913 39 920,55 64.0

100 40 29 44,5 39 26 912 38 912,45 58.7

120 41 29 43,5 38 26 912 37 895,82 55.3

140 42 28,3 43 38 26 912 36 878,68 51.3

160 42 26,8 40,5 36 28 911 36 862,05 49.3

180 50 25,6 39 34,5 28 911 34 829,99 46.3

Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Hierba Santa: Hierba Santa


TiempoTiempo

(min)(min)

HumedadHumedad

(%)(%)

T. de E.T. de E.

(ºC)(ºC)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)


HumedadHumedad

(%)(%)

PresiónPresión

(mBar)(mBar)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)

(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)

0 30 28 36,5 33,5 33 912 33,5 939,72 100

20 29 28 38 33 32 911 34,5 937,41 94.6

40 30 27,5 38 32 30 911 34 932,05 89.3

60 31 28,5 38 34 30 911 35 923,98 84.8

80 39 27,5 38,5 33 30 911 34 915,41 79.7

90 45 25 36,5 31 32 910 32,5 903,22 75.7

100 48 25 34,5 30 32 910 31 886,67 72.0

120 55 24 33,5 29 34 909 30,5 870,13 68.5

140 56 21,9 32 28,5 36 909 29 845,23 65.5

160 59 20,9 30,5 27 38 909 28 813,44 63.1

180 58 22,5 31 27,5 39 909 28,5 781,65 60.5

200 58 22 31,5 27 40 909 27,5 730,94 58.4

220 58 22 31,5 31,5 27 40 909 27,5 56.0

240 56 22 31 31 27,2 39 909 28 54.2

260 57 20,9 28 28 25 41 908 25,5 52.8

280 69 18,5 25,5 25,5 22 44 908 23 51.9

Protocolo de ensayos experimentalesPRODUCTOPRODUCTO: Toronjil: Toronjil


TiempoTiempo

(min)(min)

HumedadHumedad

(%)(%)

T. de E.T. de E.

(ºC)(ºC)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)


HumedadHumedad

(%)(%)

PresiónPresión

(mBar)(mBar)

T. De S. T. De S.

(ºC)(ºC)

(W/m2)(W/m2) (gr)(gr)

0 44 25,4 36 35 48 910 33 938,40 100

20 44 28,5 39 36 42 911 37 936,04 85

40 45 27 36 34 35 912 36 930,68 74.7

60 45 26 35 35 32 912 34 922,63 64.6

80 45 27 34 32 31 912 33 914,08 56

90 45 27 32 31 33 912 32 901,96 50.2

100 46 25 30,5 30 34 913 30,5 885,54 44.8

120 47 24 30 29 38 910 29 869,11 40.0

140 47 25 29,5 29 39 910 29 844,47 36.3

160 52 24 30 29 39 910 29 813,06 34.4

180 56 23,5 30 29 40 910 30 781,66 32.0

200 61 22 28 27,5 40 910 28 731,94 29.5

220 61 22 28 27,5 40 910 28 731,94 28.4

240 62 21,5 27 26,5 42 910 27 666,85 26.8

260 63 20,3 27 26,5 42 908 26 601,75 26.4

1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionales

Varíación de la humedad de las plantas medicinales respecto al tiempo de secado; el Toronjil reduce su contenido de humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y concluye el proceso de deshidratación con 18.2% de humedad. Le siguen la Muña y el Eucalipto que se inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y 17% respectivamente. La Hierba Santa es la planta medicinal que posee menor velocidad de secado.

ANALISIS DE RESULTADOS

Toronjil

f(x)=81.476115*0.99229213^x; R²=0.9937

Hierba Santa

f(x)=78.834802*0.9968247^x; R²=0.9957

Muña

f(x)=75.918379*0.99325744^x; R²=0.9798

Eucalipto

f(x)=59.09509*0.99272532^x; R²=0.9221

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

-10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

x

y

Porcentaje de Humedad (%)

Tiempo (min)

Gráfica Humedad Contenida vs Tiempo

lEucalipto ___________Muña ___________Hierba Santa ___________Toronjil ___________

2. Velocidad de secado2. Velocidad de secado

La mayor velocidad de secado la obtuvo el toronjil, seguido por la muña, después el eucalipto y finalmente es la hierba santa. Este factor es importante a tener en cuenta debido a que mide la eficiencia o productividad de secado para estas plantas medicinales, utilizando el secador y la cámara de secado construida. Si se desearía considerar la posibilidad de industrializar este proceso se tomaría otras plantas medicinales cuyas características biológicas y estructura física serían similares al Toronjil y la muña.

Velocidad (dM/dt)Velocidad (dM/dt)

Tiempo (min)Tiempo (min)0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

40 80 120 160 200

Eucalipto

Muña

Hierba Santa

Torojil

3. eficiencia térmica de secado

La mayor eficiencia de secado se logró con el toronjil, debido a que fue uno de los productos de mayor humedad inicial. Las condiciones de temperatura del día de ensayo fueron más óptimas, también las características biológicas y físicas de las hojas del toronjil (estructura venosa con gran capacidad para almacenar agua) fueron aprovechadas

Eficiencia (%)Eficiencia (%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Eucalipto Muña Hierba Santa Toronjil

4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del 4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del colector solarcolector solar

Un mayor flujo másico y una mayor eficiencia de secado no implica que se tenga una mayor pérdida de humedad en el secado debido a que el aumento de flujo másico de aire depende de la velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la temperatura a la salida del colector solar que es la temperatura de inicio en la cámara de secado.Eucalipto

Muña

f(x)=65.071984*ln(x)+278.26888; R²=0.7425

f(x)=60.10036*ln(x)+272.857; R²=0.891

Hierba Santa

f(x)=47.351167*ln(x)+210.52449; R²=0.8767

Serie 1

f(x)=22.938878*ln(x)+115.70839; R²=0.7345

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055

20

40

60

80

100

x

y

Influencia del Flujo másico deaire en la eficiencia del colector

Flujo másico (kg/s)

Eficiencia (%)

ExperimentalEucalipto ___________Muña ___________Hierba Santa ___________Toronjil ___________

5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector5. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector

Eficiencia medida del Eucalipto

Eficiencia simulada del Eucalipto

f(x)=-0.00016001499*x 2̂+0.025437562*x+57.744121; R²=0.1988

Eficiencia medida de la muña

Eficiencia simulada del colector

f(x)=-0.00013665501*x 2̂+0.020540093*x+56.94007; R²=0.1676

f(x)=-0.0013354349*x 2̂+0.34411954*x+46.439965; R²=0.7942

f(x)=-0.001589734*x 2̂+0.40863898*x+45.186516; R²=0.8218

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

35

40

45

50

55

60

65

70

x

y

Eficiencia (%)

Tiempo(min)

Experimental SimuladaEucalipto ___________ -------------Muña ___________ -------------

Eficiencia térmica del Colector

Se aprecia una zona en donde la eficiencia experimental del Eucalipto y la Muña son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio el mayor aprovechamiento de la energía solar y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) fueron óptimas.

6. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector6. Cálculo de la Eficiencia Térmica del colector

Se aprecia una zona, donde la eficiencia experimental de la Hierba Santa y Toronjil son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) no fueron los ideales.

Eficiencia medida de la muña

Eficiencia simulada de la muña

f(x)=-0.0012554815*x 2̂+0.31967495*x+44.889328; R²=0.367

f(x)=-0.00021060318*x 2̂+0.04127782*x+57.902765; R²=0.3009

Serie 1

Eficiencia simulada de toronjil

f(x)=-0.00064400755*x 2̂+0.1279079*x+52.447464; R²=0.5795

f(x)=-0.0010203047*x 2̂+0.23677872*x+48.49035; R²=0.8524

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

35

40

45

50

55

60

65

70

x

y

Eficiencia (%)

Tiempo(min)

Experimental SimuladaHierba Santa ___________ -------------Toromjil ___________ -------------

Eficiencia térmica del Colector

Análisis de la Eficiencia Térmica del colectorAnálisis de la Eficiencia Térmica del colector

Se comparan las dos figuras anteriores, observandose lo siguiente:

a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias experimentales fueron mayores que las simuladas.

b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en donde el secador esta en proceso de calentamiento; Zona II, en donde el colector trabajó con las mejores condiciones térmicas y la Zona III, en donde el secador se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las condiciones climáticas externas en el momento de los ensayos experimentales.

Las eficiencias simuladas con el programa creado en base a las ecuaciones de balance de energía y los fenómenos de transferencia de calor son del 50% al 60%; cuando se realizaron los cálculos experimentales se obtuvieron eficiencias en el rango de 40% a 75% esto se debe a que las condiciones climatologías variables que existía en los días de las pruebas experimentales; obteniéndose mayores eficiencias con las plantas medicinales Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120 min de empezada la prueba (1:30 p.m.).

Análisis de la Eficiencia Térmica del colectorAnálisis de la Eficiencia Térmica del colector

COEFICIENTE CONVECTIVO DE COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALORTRANSFERENCIA DE CALOR

Se aprecia que el mayor valor del coeficiente convectivo se obtuvo para el toronjil, demostrando de esta manera que con el toronjil se ha producido un mayor aprovechamiento de la energía calorífica.

hc(W/m2ºC) EucaliptoHierba Santa

Muña Toronjil

Convección Natural

0,55 1,41 1.00 1,89

En la tabla podemos observar los valores promedios de los coeficientes convectivos entre el fluido (aire) y la superficie de cada planta medicinal, calculados siguiendo la metodología propuesta por Tiwari donde se hallan los números de Grashof y de Prandtl

CONCLUSIONES

El proceso de diseño, construcción y de realización de los ensayos experimentales del secado indirecto de las plantas medicinales, se tiene las conclusiones siguientes:

1) Este proyecto demuestra que es posible desarrollar tecnología apropiada para el secado de productos agrícolas en el Perú, en este caso se realizó el proceso de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto.

2) El Toronjil es la planta medicinal más apropiada para las características constructivas del secador indirecto debido a su elevada eficiencia de secado y a que la velocidad de secado es mayor que en las otras plantas medicinales.

3) La hierba santa es la planta medicinal que no se adecua a las características constructivas del secador solar indirecto, debido a su baja eficiencia de secado y a su baja velocidad de secado en comparación con las otras plantas medicinales.

4) Para un mayor aprovechamiento de la energía solar por el colector solar indirecto; las pruebas experimentales se deben realizar en el intervalo de tiempo que exista mejores condiciones de la variación de temperatura; en nuestro caso de 10 a.m. á 4 p.m.).

5) Los coeficientes convectivos entre el aire calentado y las plantas medicinales varían en el rango de 0.55 a 1.89 W/m2ºC, siendo mayor en el caso del Toronjil y menor en el caso del eucalipto.

Ingeniería Mecánica de Fluidos 1er nivel

Universidad nacional Mayor de San marcos

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Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos

Propiedades Físicas del aire húmedoPropiedades Físicas del aire húmedo

•Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)Cálculo del calor específico Ce (J/kgK)

•Cálculo de la densidad ρ (kg / mCálculo de la densidad ρ (kg / m33))

•Cálculo de la viscosidad dinámica (N.s/mCálculo de la viscosidad dinámica (N.s/m22))

•Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)Cálculo de la conductividad térmica Kv (W/m.K)

•Cálculo del coeficiente de expansión térmica Cálculo del coeficiente de expansión térmica ββ11(K(K-1-1))

15.27344.353

mT

3824 107581.610101.11434.02.999 mmm TTTCe

mT 85 1062.410718.1

mv TK 4107673.00244.0

15.273

11

mT

Las propiedades del aire húmedo dependen exclusivamente de la temperatura:

Análisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secadoAnálisis del proceso de transferencia de calor en la cámara de secado

El coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) para convección natural puede ser determinado, según Tiwari, usando el procedimiento basado en la obtención del número de Nusselt, Grashof y de Prandtl.

vK

XchNu

v

e

K

C

Pr

2

31

2

321

TXgTXg

Gr

baba

X

Nu: número de Nusselt.hc: Coeficiente de transferência de calorKv: Conductividad térmica del aire húmedoX: Dimensión característica de la superficie de exposiciónPr: Número de Prandtl.Gr: Número de Grashof.m: Viscosidad dinámica.Ce: Calor específico.g: Aceleración de la gravedad.b1: Coeficiente de expansión térmica.ρ: Densidad (Kg/m3)ΔT: Incremento entre la temperatura del producto y la temperatura superficial (ºC) a: Largo de la bandejab: Ancho de la bandeja

Determinación de coeficientes convectivos en circulación naturalDeterminación de coeficientes convectivos en circulación natural

Es el requerimiento térmico para secar un producto, representa la cantidad de energía que tiene que absorber el producto para vaporizar su humedad, esto es, la energía necesaria para evaporar 1 Kg. de agua

Cálculo del calor latente de vaporización Lv (J/kg)

))16.273(( 21 TppM

RL ssv

R: La constante de los gases ideales (8314 J/kmolK)M: El peso molecular del agua (18.01 kg/kmol)Ps1: constante de la ecuación (6547.1)Ps2: constante de la ecuación (4.23)T: La temperatura (ºC)Tm: La temperatura media del fluido (ºC)El número de Nusselt para convección natural se halla en función de ambos números adimensionales

El número de Nusselt para convección natural se halla en función de ambos números adimensionales

nGrCNu Pr)(

C = Constanten = Constante

despejamos el coeficiente de transferencia de calor

nGr

X

CvK

ch Pr).(

XvXv 00Re

v0 = velocidad del aire superficial (m/s)

La potencia térmica es la empleada en evaporar la humedad del producto

))()((016.0spp

TPTPcheQ

Qe: Potencia térmica (J/sm2)P(Tp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura del productoP(Tsp): La presión parcial del vapor de agua a la temperatura superficial Ø: Humedad relativa superficial

Calculo de la presión parcial del vapor de agua a una temperatura (T)Calculo de la presión parcial del vapor de agua a una temperatura (T)

15.273

5144317.25exp

TTP

sppnv

e TPTPGrX

CKQ

Pr016.0

Cálculo de la humedad evaporada del producto meCálculo de la humedad evaporada del producto mevv

tATPTPGrLX

CK

L

tAQm tspp

n

v

v

v

teev

Pr016.0

At: Área de la bandeja (m2)t: tiempo (s)

tATPTPLX

KZ tspp

v

v

016.0 Luego nev GrC

Z

mPr)(

Tomando logaritmo natural YXnCGrnCZ

mev 00Pr)ln()ln()ln(

20

20

00

)(

XXN

YXYXNn )exp(

)( 020

20

0020

0 CCXXN

YXXYXC

N: numero de observaciones más el número de variables independientes Es posible calcular C y n mediante las expresiones anteriormente mostradas conociendoel área de exposición (At), la dimensión característica de la superficie de exposiciónde producto (X), mediante el registro de en el tiempo de las variables (t), temperatura del producto (Tp), temperatura superficial (Tsp), humedad relativa (ø), perdida de peso (el valor del agua evaporada mev (kg), será la diferencia entre 2 valores consecutivos de pérdida de peso), calculando con los datos mencionados Z, Y, X0, C0.

Lv: Calor latente de vaporizaciónDefiniendo un parámetro auxiliar Z

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