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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versão On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.29 no.1 San José de las Lajas ene.-mar. 2020  Epub 01-Mar-2020

 

ARTÍCULO ORIGINAL

Diseño y simulación de un secador solar para semillas botánicas de pastos y forrajes

Ing. Yoel Rodríguez GagoI  * 

Dr.C. Yanoy Morejón MesaII 

I Instituto de Ciencia Animal (ICA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

II Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

La presente investigación se orientó hacia el diseño de un secador solar para semillas botánicas de pastos y forrajes. Para el cumplimiento del objetivo propuesto se establecieron las bases teórico-metodológicas referentes a la temática. Entre los principales resultados obtenidos se evidenció que los fundamentos teóricos planteados permitieron realizar el diseño y la simulación de un prototipo para el secado solar de semillas botánicas de pastos y forrajes. Con la utilización del software Solidworks (versión 2018), se realizó el diseño del prototipo y con las herramienta Flow Simulation, se llevó a cabo el análisis de la cinética del fluido y las temperaturas, alcanzando valores de velocidad del aire 0,25 m/s y temperaturas superiores en 8 ℃ a la temperatura ambiente en la cámara de secado. Por otra parte, con la herramienta Simulation, se realizó un estudio por elementos finitos para evaluar la resistencia estructural del prototipo, mediante el criterio de tensión máxima de Von Mises, demostrándose la resistencia y estabilidad de la estructura del prototipo.

Palabras clave: secado solar; semilla de pastos

INTRODUCCIÓN

El sol es una fuente importante de energía libre e inagotable para el planeta Tierra. Actualmente, se han desarrollado nuevas tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar en la generación de electricidad y calor. Estos enfoques ya han sido probados y se practican ampliamente en todo el mundo como alternativas renovables a las tecnologías convencionales. Casi cuatro millones de exajules (1EJ = 1018J) de energía solar llegan a la tierra anualmente. A pesar de este enorme potencial y aumento de la conciencia, la contribución de la energía solar al suministro mundial de energía sigue siendo insignificante. Otra perspectiva importante con respecto a la investigación solar está asociada con el impulso actual hacia la reducción de las emisiones globales de carbono, que ha sido un problema ambiental, social y económico mundial en los últimos años. Por lo tanto, la adopción de tecnologías solares mitigaría significativamente los problemas asociados con la seguridad energética, el cambio climático y el desempleo (Kabir et al., 2018).

La necesidad de sostenibilidad, seguridad alimentaria y de desvincular los precios de las producciones agropecuarias de los precios fluctuantes de los combustibles fósiles ha impulsado la búsqueda de un procesamiento sostenible y adecuado de productos agrícolas. Un método ampliamente practicado por los agricultores en los países en desarrollo desde la antigüedad es el secado al sol para la conservación de alimentos, semillas y cultivos agrícolas, pero este método tiene limitaciones inherentes tales como: grandes pérdidas posteriores a la cosecha causadas por un secado inadecuado; ataques de hongos; invasión de insectos, pájaros y roedores; y, lluvia inesperada y otros fenómenos meteorológicos. Las limitaciones descritas anteriormente dan como resultado estándares mínimos calidad. Además, los métodos de secado convencionales requieren períodos de secado más largos, grandes áreas abiertas en las que el producto puede exponerse al proceso de secado y una gran cantidad de horas de trabajo. Sin embargo, el secado artificial ha demostrado ser más eficiente que otros métodos de secado, que no pueden controlarse por completo (García et al., 2019).

Aunque han sido muchos los trabajos de investigación sobre tecnología de secado solar que se han publicado en los últimos años (Sahu et al., 2016; Sonthikun et al., 2016; Roche et al., 2017; Teixeira y Malpica, 2016; Gavhale et al., 2015); la situaciónpermanece sin cambios, con los secadores solares disponibles. El desarrollo de la tecnología de secado solar sigue dos líneas: (a) secadores simples y económicos con baja capacidad de potencia, baja eficiencia y una vida útil corta; o (b) sistemas más caros, con una capacidad de potencia y eficiencia correspondientemente más altas, y una vida útil más larga, pero con una disponibilidad más limitada. La mayoría de los diseños de secadores solares actualmente disponibles se utilizan principalmente en diferentes cultivos de subsistencia o en la producción industrializada a pequeña escala. Pocos estudios se han centrado en la investigación y el desarrollo de sistemas de secado solar de alta capacidad (más de 200 kg).

El uso de tecnologías termo solares en la producción agrícola constituye entonces una alternativa económica para los pequeños y medianos productores de mejorar sus capacidades productivas, si se les compara con los métodos tradicionales de deshidratación, permitiéndoles lograr un desarrollo sustentable al producir mínimos impactos ambientales (Milani y Carvallo, 2013). En los últimos años, el desarrollo de las aplicaciones de aprovechamiento de energías alternativas, ha despertado el interés en los análisis de formas de aprovechamiento eficiente y adecuado de fuentes energéticas renovables. Lo que ha motivado el desarrollo de sistemas de secado de productos agrícolas mediante energía solar térmica.

Existen distintos tipos de secaderos solares, los cuales se clasifican en secadores solares directos, indirectos y un híbrido de ambos, de acuerdo a la forma en que se transfiere el calor; y de acuerdo a la forma en que la energía solar es utilizada y la circulación del aire dentro del mismo se clasifican en sistemas de secadores con energía solar activa y pasiva, que son los secadores con circulación natural o forzada (Roche et al., 2017).

Por lo que el objetivo del presente trabajo consiste en diseñar un secador solar indirecto con circulación forzada de aire para el secado de semillasbotánicas de pastos y forrajes, que a su vez proteja a las semillas de las condiciones ambientales y de contaminación que puedan dañar la calidad de las semillas.

MÉTODOS

En algunas publicaciones, se propone una clasificación simple de secadores solares basada en el modo de utilización de la energía solar. Otro criterio de clasificación es según la fuente de energía que los activa. Se dice que un secador es híbrido cuando puede ser activado por más de una fuente de energía. Otra clasificación está referida a la escala productiva (Laborde y Williams, 2016).

Las tecnologías de deshidratado solar desarrolladas están orientadas a soluciones económicas, como apoyo a pequeños y medianos productores, compatibles con el medio ambiente, buscando la eficiencia energética y utilizando materiales de fácil acceso.

Los modelos se desarrollan según las necesidades de los productores, según el volumen de producción, disponibilidad de conexión a la red eléctrica, la estacionalidad de las cosechas y las condiciones de secado de los productos. Las tecnologías consisten básicamente en sistemas de secado solar indirectos activos, es decir, son sistemas donde los productos no reciben la luz solar directa y funcionan mediante convección forzada. A nivel general, cuentan con un colector solar de aire, una cámara de secado y un ventilador (Espinoza, 2016).

Para el diseño de la cámara de secador se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:

  1. Análisis de la bibliografía, obteniendo la siguiente información:

    1. Tres geometrías (horizontal, inclinada y cónica) son las más utilizadas en las cámaras de secado, en los secadores de cama fija y tres métodos de soporte del producto (bandejas fijas, bandejas móviles, lecho fijo).

    2. La densidad del producto.

    3. El flujo de aire recomendado.

  2. Las dimensiones de la cama del producto, para una carga determinada.

  3. Simulación del comportamiento del aire en el interior de la cámara de secado, utilizando el software SolidWorks 2018 para la geometría obtenida, considerando: a) 2D y 3D, b) temperatura y velocidad constante a la salida, c) La cámara de secado está aislada, d) Las propiedades del aire son constantes, e) El producto se considera como medio poroso.

  4. Se analiza el comportamiento del campo de velocidades en el interior de lacámara de secado en 2D.

  5. Se analizan las velocidades obtenidas para verificar si el aire se distribuye demanera uniforme en la cama del producto.

Para la realización del estudio de la dinámica del fluido computacional CFD por sus siglas en ingles se siguieron los siguientes pasos:

Proceso de resolución mediante CFD; Crear el modelo en 3D; Definir el tipo de problema; Definir el tipo de fluido; Definir las condiciones de frontera; Definir y generar la malla; Establecer los parámetros de cálculo; Calcular; Obtención y análisis de los resultados.

Consideraciones de diseño de la cámara de secado

Para obtener las dimensiones de la cámara de secado se consideran los siguientes parámetros:

  • 1.- La capacidad de la cama del producto;

V=Wρ (1)

donde: V: volumen en m3; W: masa del producto en kg; ρ: densidad volumétrica en kg/m3

h=65·Aπ (2)

donde: h: altura de la cama del producto en m, A: área de la sección transversal en m2.

  • 4.- Respecto al flujo de aire en el interior de una cámara de secado de cama fija, varios autores recomienda un flujo entre 0,12 y 0,25 m3/ s / m2, donde m3/s representa el flujo de aire y m2 el área de la sección transversal, (Faroni et al., 1993);

  • 5- Debe permitir la salida del aire húmedo evitando la condensación del agua;

  • 6- La temperatura y el flujo de aire debe distribuirse de forma homogénea;

  • 7- El diseño debe ser de fácil construcción, ergonómico y resistentes, con materiales que minimicen las pérdidas de calor.

La adecuada selección de los materiales que formarán parte del prototipo es fundamental para su correcto funcionamiento y durabilidad en el tiempo. Para ello se deben tener en cuenta determinados criterios que se muestran a continuación (tabla 1):

TABLA 1 Criterios de selección de los materiales 

Criterios Descripción
Resistencia Capacidad del material a resistir fallas por flexión, compresión o corte.
Costo Costo de adquisición del material
Resistencia a la corrosión Capacidad del material de resistir la corrosión sin aditivos
Disponibilidad Oferta del material en el mercado nacional
Coeficiente de conductividad Resistencia a la conducción de calor
Instalación Facilidad de instalar el material en el equipo
Durabilidad Capacidad del material de no perder sus propiedades

Para la determinación del área del colector es directamente proporcional a la demanda energética para realizar el procesode deshidratado e inversamente proporcional a la radiación solar incidente y la eficiencia. La ecuación (1) permite establecer el área requerida del colector (Montero et al., 2010)

Ac=QuI ×n (3)

Qu=ma·cpaT2·T1 (4)

donde: Ac: Área del colector; m2, Qu: Calor útil; kW; I: Radiación solar global (5 kWh/m2 día); n : Eficiencia (80 %).

La colocación más favorable de las superficies captadoras de la radiación solar será aquella que, en función de la aplicación a que se destine el sistema, capta la mayor cantidad de energía posible. Para el dimensionamiento de los captadores de los sistemas foto térmicos se plantea que lo ideal es inclinarlos sobre la horizontal, la latitud del lugar más 100. De esta forma se obtiene el máximo rendimiento en invierno (Ekechukwu y Norton, 1999).

β=δ (5)

donde el ángulo de declinación δ viene dado por:

δ=23,45·sin360284+n365 (6)

donde: β: ángulo de inclinación; L: latitud del lugar.

Para el diseño de la cámara de secado es necesario establecer las condiciones de su estructura interna, donde será depositada la semilla sobre un lecho fijo. Inicialmente se determina el volumen que la semilla a procesar. La ecuación (7) permite establecer el volumen de la cámara de secado

Vtp=Mtρap (7)

donde: Vtp : Volumen total de producto a procesar; m3 ; Mt : masa total producto a procesar, kg; ρap: Densidad aparente producto a procesar, kg/m3.

La relación entre el área de la sección transversal y la altura del producto sea (Faroni et al., 1993)

h=65Aπ (8)

El área de la sección transversal de la cámara de secado debe tener la siguiente relación (FAO, 1996):

L= 1.5 a. (9)

Flujo de aire en el interior de una cámara de secado de cama fija, la FAO recomienda un flujo entre 0,12 y 0,25 m3/s m2 (Dalpasquale et al., 1991).

Con el propósito de evitar aplastamiento y considerarun espacio adecuado entre cada bandeja, el volumen de la cámara interna es de 0,054 m3. Las dimensiones de la cámara interna de la cámara desecado son 0,52 m de ancho, 0,315 m de alto y 0,33m de profundidad.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para la determinación de la cinética de movimiento del fluido (aire caliente) y el comportamiento térmico en el interior del secador y la capa de semillas, se consideró como dato inicial la radiación solar incidente sobre el sistema o instalación térmica, para lo cual fue necesario determinar la ubicación óptima del colector solar en dicha instalación, con el propósito de obtener la mayor eficiencia térmica posible. Considerando que Cuba se encuentra localizada en el hemisferio norte respecto al ecuador, la superficie del colector debe estar orientada hacia el sur, por tanto, mediante la expresión para la época de invierno (β=|∅ |+100), se determinó que el ángulo óptimo de inclinación entre la superficie del colector y la horizontal debe ser de 32°, basado en la latitud geográfica del Instituto de Ciencia Animal (ICA) la cual tiene un valor de 22°.

Teniendo en cuenta las consideraciones y la metodología propuesta. Se obtuvieron los siguientes resultados:

El mallado del dominio computacional y las condiciones de fronteras aplicadas al modelo se muestran en la figura 1, donde puede apreciarse el refinamiento de malla efectuado. A partir de un nivel de refinamiento igual a 3 se obtuvieron un total de 32 684 celdas, de ellas 12 426 celdas corresponden al fluido, 6 248 celdas al sólido y 14 010 a celdas parciales de sólido y fluido.

FIGURA 1 Condiciones de frontera y mallado del dominio computacional. 

El flujo volumétrico de aire que mueve el extractor de aire se hizo incidir a la salida del secador (flechas de color rojo) en dirección normal al plano X-Z con valor igual a 5 m s-1. A la entrada se declara la presión total teniendo como referencia la presión atmosférica (flechas de color verde). En la simulación del prototipo han sido desactivados los componentes que han sido declarados como medio poroso y malla perforada.

Mediante la simulación se obtuvo un total de 333 iteraciones realizadas para darle solución al criterio de convergencia para las metas de ingeniería declaradas en el software en un tiempo de 1051 s, obteniendo un nivel de satisfactorio de convergencia de los resultados adecuado.

En la figura 2 se muestra la distribución de las temperaturas obtenidas en el interior del secador para un corte transversal en el plano Y-Z logrando una temperatura homogénea en la sección de la cámara de secado, superando a la temperatura ambiente en 12 teniendo una temperatura promedio de 32 , lo que favorece al secado de las semillas, ya que la temperatura no sobrepasa los 45 , temperatura máxima recomendada para el secado seguro de semillas.

FIGURA 2 Distribución de las temperaturas en el interior del secador. 

FIGURA 3 Comportamiento de la presión relativa (considerando la capa de semillas). 

FIGURA 4 Comportamiento de la presión relativa (sin considerar la capa de semillas).  

Al analizarse el comportamiento de la presión relativa, mostrado en la figura 3, se observa que en el caso específico de la variante que considera el medio poroso, las mínimas presiones se alcanzan en la región del extractor, específicamente a la salida del extractor con un valor -72,70 Pa y las máximas presiones se alcanzan en la región de la cámara de secado, específicamente en el colector solar, teniendo un valor de -0,48 Pa, evidenciándose de esta forma que ocurre una caída de presión de 72,22Pa. Sin embargo, como se puede observar en la figura 4. (la variante que no considera el medio poroso), las mínimas presiones se alcanzan igualmente en la región del extractor, específicamente a la salida del extractor con valor de -48,23Pa y las máximas presiones se alcanzan en la región de la cámara de secado y el colector, teniéndose un valor de -0,58Pa, evidenciándose de esta forma que ocurre una caída de presión de 47,56Pa.

FIGURA 5 Comportamiento de la presión relativa (sin considerar la capa de semillas). 

Con el objetivo de conocer el comportamiento del prototipo se realizaron una serie de simulaciones para cada mes del año con los datos meteorológicos de los últimos 12 meses anteriores al estudio considerando las variables meteorológicas de temperatura mínima media y humedad relativa para cada mes Insmet, (2019) (Tabla 2). En dichas simulaciones se determinaron las variables de temperaturas máximas dentro del secador teniendo en cuenta el lecho de semillas (Tmax con MP) y sin el dentro del secador (Tmax sin MP) y la temperatura media en el lecho de semillas (Tmed) estos datos se muestran en la tabla a continuación.

Con las variables meteorológicas anuales de Cuba se realizó una simulación del funcionamiento del secador solar para cada mes del año siguiendo el método de resolución mediante CFD descrito anteriormente, realizando un total de 24 estudios de simulación donde para cada mes del año se analizó el comportamiento de las temperaturas dentro del secador teniendo en cuenta el volumen de semillas y sin este. Dichas simulaciones arrojaron como resultados, que los meses donde se alcanzan las mayores temperaturas dentro del prototipo diseñado sin incluir en la simulación la capa de semillas son julio y agosto alcanzando valores de 43 como temperatura máxima. Para el análisis de las temperaturas considerando en el estudio el volumen de semillas, los meses donde se alcanzan las temperaturas más altas dentro del secador son agosto y septiembre con temperaturas máximas de 45 y 46 , respectivamente.

Al realizar el análisis de las temperaturas del fluido que circula a través del volumen de semillas en la cámara de secado se pudo constatar que durante los meses de agosto y septiembre se alcanzaron temperaturas de 32 para ambos meses, logrando un incremento de la temperatura de 8 con respecto a la temperatura ambiente fijada en el análisis de CFD. Para los meses de temperatura mínima media más bajas (diciembre, enero, febrero) se logra un incremento de temperatura similar a los meses más cálidos con aumento de hasta 9 .

TABLA 2 Datos de temperaturas ambiente mensuales e internas del secador 

Año Mes Tmin Tmax HR, % Tmax sin MP Tmax con MP Tmed lecho de semillas
2018 S 24 31 78 40,27 46,23 32,79
O 22 30 78 39,47 44,49 30,89
N 20 28 75 37,28 41,74 28,76
D 18 27 74 34,92 39,65 26,71
2019 E 18 26 75 35,06 39,29 26,49
F 18 26 73 35,5 40,01 27,1
M 19 28 71 35,79 41,41 27,02
A 20 29 71 36,51 42,13 28,77
M 21 30 74 37,62 44,01 28,96
J 23 31 76 41,11 44,59 30,79
J 24 32 75 43,6 44,35 31,61
A 24 32 76 43,3 45,06 32,25

De forma general después de analizar el comportamiento de las temperaturas dentro del prototipo diseñado, es válido destacar que las mismas no superan la temperatura máxima de 45 , recomendada para el secado de semillas.

Otro resultado obtenido fue la simulación del comportamiento de las temperaturas alcanzadas por los materiales de las partes componentes del prototipo y la temperatura del fluido en el interior del secador en general y en la cámara de secado en particular para 8 horas de trabajo (tabla 3). Esta simulación se realizó para unas condiciones ambientales de temperatura mínima promedio de 17 una humedad relativa del aire promedio de 70% y una radiación solar de 4,2 kW, siendo estos valores promedios unos de los más bajos que podrían existir durante los meses del año donde sería más complejo lograr un incremento de las temperaturas en un secador solar.

TABLA. 3 Comportamiento de las temperaturas de los sólidos y el fluido en 8 horas de trabajo 

hora Tinicial oC Temperatura de sólidos oC Temperatura del fluido oC
T max T min Tmax T cam d. secado
8 17 71,25 15,30 34,26 22,86
9 80,42 18,97 46,08 25,26
10 86,74 20,78 56,95 27,16
11 90,56 22,43 59,20 27,49
12 91,07 23,51 61,64 27,50
13 90,06 22,21 58,81 27,17
14 87,37 21,30 57,80 26,94
15 80,41 19,41 45,66 25,45
16 71,24 17,28 36,81 23,50
Promedio 83,24 20,13 50,80 25,93

Como se puede observar en la Tabla 3, las temperaturas máximas alcanzadas en los materiales del prototipo llegan hasta los 91,07 oC a las 12 horas teniendo como promedio 83,24 oC obteniendo los valores más altos entre las 10 y las 14 horas. De manera similar ocurre con el comportamiento de la temperatura del fluido, tanto la máxima como la media en la cámara de secado, obteniendo los valores más altos a las 12 horas coincidiendo con el horario de mayor temperatura de los sólidos teniendo valores de 61,64 oC y 27,50 oC respectivamente. Igualmente se puede corroborar que la temperatura dentro de la cámara de secado fue mayor entre las 10 y las 14 horas para una temperatura promedio de 27,25 oC con un promedio diario para la temperatura del fluido de 25,93 oC siendo 8,93 oC superior a la temperatura ambiente. Los valores de temperatura alcanzan los valores más altos al mediodía solar, que es cuando la radiación solar incide más perpendicularmente sobre la superficie captadora.

CONCLUSIONES

  • El modelado térmico y la cinética del diseño concebido se realizó con el uso del software informático SolidWorks, considerando el medio poroso (capa de semillas para el secado), evidenciándose un aumento de la temperatura y una caída de presión, dentro de la instalación propuesta.

  • Para condiciones desfavorables de radiación solar y bajas temperaturas durante la simulación de la cinética de fluidos, el prototipo diseñado alcanzó temperaturas que excedieron a la temperatura ambiente en 8 ℃.

  • En cuanto a la temperatura en el lecho de secado, los valores más altos se obtuvieron en los meses de julio, agosto y septiembre, con aumentos de temperatura de 8 ℃ durante todo el año, lo que demuestra el funcionamiento estable del prototipo

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Recibido: 25 de Septiembre de 2019; Aprobado: 19 de Diciembre de 2019

*Autor para correspondencia: Yoel Rodríguez Gago, e-mail: ygago@ica.co.cu

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