DISEÑO DE UN SECADOR SOLAR
46
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA “DISEÑO DE UN SECADOR SOLAR PASIVO PARA LA DESHIDRATACION DE PIÑA” TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO Presentado por: Bachiller: QUISPE SANCA, Pamela Astrid HUANCAYO, PERU 2012
Transcript of DISEÑO DE UN SECADOR SOLAR
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
“DISEÑO DE UN SECADOR SOLAR PASIVO
PARA LA DESHIDRATACION DE PIÑA”
TESIS
PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO
Presentado por:
Bachiller: QUISPE SANCA, Pamela Astrid
HUANCAYO, PERU
2012
2
ASESOR:
ING. Ms. DEMETRIO SALAZAR MAURICIO
ii
3
DEDICATORIA:
Con mucho cariño y enorme gratitud a
mis padres en especial a mi padre:
Wilfredo, que con enorme esfuerzo y
sacrificio no dudó un solo instante en
brindarme su apoyo incondicional, a mi
madre que es una mujer maravillosa que
me apoya emocionalmente y a mis
hermanos que son la razón de mi
progreso, a mis amigos y las personas
que contribuyeron a mi realización
profesional, a los docentes de nuestra
querida UNCP sin los cuales la
preparación y ejecución de este trabajo
no hubiera sido posible.
PAMELA ASTRID.
iii
4
AGRADECIMIENTO:
A Dios por su grandeza, por permitirnos la vida y cumplir con nuestras
metas trazadas desde nuestra niñez. A nuestros queridos padres, asimismo
agradecer a los Docentes de la Facultad de Ingeniería Química por impartirnos
sus conocimientos y experiencias durante nuestra formación profesional.
Al I ng.Ms. DEMETRIO SALAZAR MAURICIO por su ayuda y aporte brindado,
por la experiencia que posee referido al tema tratado, por la invalorable
amistad que profesa a todos.
iv
5
INTRODUCCION
El secado de productos es de gran importancia en países en vías de
desarrollo. La mayoría de estos países se ubican en la zona tropical del
planeta, donde la humedad ambiente es muy alta y los productos precisan
de secado para su procesado. El uso de secaderos solares se está
extendiendo mucho en estas regiones por su independencia del suministro
eléctrico, que no siempre está garantizado, además de porque en estas
regiones, por su localización geográfica, existe alta disponibilidad de
energía solar. En concreto, la instalación que deseo diseñar se trata de un
secador solar de tipo pasivo (única fuente de energía es el sol) destinado a
secar frutas de la región Junín. El secadero va a constar de un colector
solar que recibe radiación y transmite calor en forma de convección natural
al aire contenido en su interior, haciendo que fluya al interior de la cámara
de secado. Con ese fin se creará además un modelo matemático teórico
que estudia el comportamiento fluido termodinámico de la corriente en el
colector en función del clima, la posición geográfica y la geometría del
colector, entre otros. El modelo se basa en un balance energético en el
colector, y haciendo uso de las ecuaciones de transferencia de calor
permite conocer los parámetros de la corriente a la salida del colector en
función de los datos mencionados.
Dicho modelo se programará en un programa que podría ser MathCad,
permitiendo así el cambio en los valores de los mencionados factores para
ver su influencia en los resultados. Gracias a las medidas experimentales
se respaldará dicho modelo y se probará que sus resultados son
razonables, pudiendo hacer uso de él para buscar el diseño óptimo del
nuevo colector.
Tras decidir el diseño óptimo del nuevo colector se procederá a su
construcción, para posteriormente caracterizarlo con medidas
experimentales y comprobar si se obtienen los resultados esperados.
v
6
RESUMEN
La Tesis aquí presentada contiene los siguientes aspectos y se resumen en 4
bloques:
El primero, trata sobre las nociones generales, los antecedentes sobre el
secado de la piña, el origen y porque otros métodos se seca la piña
El segundo, es el enfoque de marco teórico acerca de la clasificación de los
secadores y sobre la variedad, tipo y valor nutricional de la piña
El tercero, se realiza las corridas experimentales, los materiales y equipos
utilizados en el secado de la piña, también se realizo el flowsheet, balance
de materia y energía para el proceso de secado de la piña.
vi
7
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar un secador solar pasivo para la deshidratación de piña.
Objetivos Específicos
Determinar las dimensiones del secador solar
Determinar el área de transferencia de calor en el colector solar.
Calcular el tiempo de secado
vii
8
NOMENCLATURA
h1: coeficiente de transferencia de calor por convección entre la
superficie absorbente y el fluido (W/m2. ºC)
h2: coeficiente de transferencia de calor por convección entre el fluido
y el aislante (W/m2. ºC)
: Flujo másico del fluido (Kg/min)
: Coeficiente de transferencia de calor por convección y radiación
de la parte superior del colector para el ambiente (W/m2. ºC)
: Coeficiente de transferencia de calor por convección entre el
viento y la superficie superior de la capa absorbente (W/m2. ºC)
: Coeficiente de transferencia de calor por entre la superficie
absorbente y el aislante (W/m2. ºC)
: Velocidad del viento (m/s)
: Conductividad térmica del aislante (W/m.ºC)
viii
9
INDICE
ACARATULA i
ASESOR ii
DEDICATORIA iii
AGRADECIMIENTO iv
INTRODUCCION v
RESUMEN vi
OBJETIVOS vii
NOMENCLATURA viii
INDICE ix
CAPÍTULO I
NOCIONES GENERALES
1.1. IDENTIFICACION Y DELIMITACION DEL PROBLEMA 11
1.2. ORIGEN DE LA PIÑA 11
1.3. IMPORTANCIA DEL SECADO DE LA PIÑA 12
1.4. ANTECEDENTES DEL SECADO DE LA PIÑA 12
1.4.1. SECADO POR LIOFILIZACION 12
1.4.2. SECADO POR OSMOSIS 13
CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1. SECADO 14
2.2. SECADOR SOLAR 15
2.3. CLASIFICACION DE SECADORES 16
2.3.1. Según el uso de una fuente auxiliar de energía 16
2.3.1.1. Secadores solares pasivos 16
2.3.1.2. Secadores solares activos 19
2.3.2. Según la temperatura de secado 20
2.3.2.1. Secadores de alta temperatura 20
ix
10
2.3.2.2. Secadores de baja temperatura 21
2.3.3. Según el empleo de la radiación solar 21
2.3.3.1. Secadores solares integrales o directos 21
2.3.3.2. Secadores solares distribuidos o indirectos 22
2.3.3.3. Secadores solares mixtos 22
2.4. COMPONENETES DE UN SECADOR 24
2.4.1. Generador de aire 25
2.4.2. Calefactor 25
2.4.3. Alimentador 26
2.5. LA PIÑA 26
2.5.1. Descripción del producto 27
2.5.2. Nombre científico y familia 27
2.5.3. Variedades de la piña 27
2.5.4. Calidad de la piña 28
2.5.5. Aplicaciones 29
2.5.6. Valor nutricional 30
CAPITULO III
CORRIDAS EXPERIMENTALES
3.1 MATERIALES 32
3.2 EQUIPOS 32
3.3 PROCEDIMIENTO DEL DISEÑO Y ELABORACIÓN DEL SECADOR 32
3.4 PROCEDIMIENTO PARA EL SECADO DE LA PIÑA 34
3.5 FLOWSHEET DEL SECADO DE LA PIÑA 36
3.6 BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 36
3.6.1. BALANCE DE MATERIA 36
3.6.2. BALANCE DE ENERGIA 38
x
11
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 22
4.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 22
CONCLUSIONES 36
RECOMENDACIONES 38
BIBLIOGRAFÍA 39
ANEXOS
xi
12
CAPITULO I
NOCIONES GENERALES
1.1. IDENTIFICACIÓN Y DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA.
La búsqueda de un método de secado que no cambie las
características de los alimentos a secar.
Ya que el método tradicional al aire libre es lento debido a que el
proceso de secado natural es lento debido a la elevada humedad en el
ambiente muchas veces, los alimentos se secan mal, sobre todo los
que contienen un alto porcentaje de agua.
Los productos están expuestos al polvo, a insectos y otros animales
que pueden deteriorar los alimentos y causar enfermedades al
consumirlos. En el caso del secado al Sol, se necesita una atención
particular para proteger los alimentos de la intemperie.
La exposición directa de los alimentos a los rayos solares puede ser
perjudicial en cuanto a su calidad (pérdida del color natural, destrucción
de vitaminas y valor nutritivo), debido a la acción de los rayos
ultravioletas. Otro proceso tradicional de secado en nuestro país es el
de la yerba mate, para el cual se utiliza un “barbacuá”, que se calienta
con un fuego de leña.
1.2. ORIGEN DE LA PIÑA Se presume que la piña (Ananás como sus.) es originaria del sureste
de Brasil y Paraguay. Las mayores producciones de piña se tienen en
Hawái, México, Costa Rica, Brasil, Colombia, Honduras, República
Dominicana, Malasia, India, Congo, Kenia, China, Taiwán, Vietnam,
Australia, Filipinas, Bangladesh, Tailandia, Indonesia, sur África, Zaire y
Costa de Marfil (Paul, 1997). En Colombia los cultivos de piña se
distribuyen principalmente en los departamentos de Santander, Valle,
Risaralda y Cauca, y Cayena Lisa las variedades más cultivadas en el
país./http://www.encolombia.com/economia/Cultivos/Origenydistribucio
ndelapi%C3%B1a.htm 09/11/12 5:35 pm)
13
1.3. IMPORTANCIA DEL SECADO DE PIÑA
Es importante la conservación de los alimentos DEBIDO A que
prolonga la vida útil, ya que abastece y facilita la disponibilidad en
cualquier lugar y en cualquier momento, ayuda a ofrecer una gran
variedad de productos, ahorra tiempo y esfuerzo al consumidor,
permite estabilizar el suministro y los precios.
1.4. ANTECEDENTE DE SECADO DE PIÑA
1.4.1. SECADO POR LIOFILIZACION La deshidratación de la piña por liofilización es la retirada de agua tiene
lugar por sublimación, sometiendo a la piña a condiciones de
temperatura inferiores a las del punto triple. La liofilización es lenta y
cara, ya que requiere una atmósfera de alto vacío, pero las ausencia de
aire y el frió al que está sometido a la piña durante la mayor parte del
tiempo del proceso hace que se obtengan alimentos de muy buena
calidad que se rehidratan con suma facilidad. La sublimación requiere
unos 700 Kcal kg-1 de agua.
El proceso de liofilización consta de tres partes:
1.- Congelación previa, se separa el agua de los componentes
hidratados de la piña, por la formación de cristales de hielo o mezclas
eutécticas.
2.- Sublimación de estos cristales que elimina el agua del seno de la
piña trabajando a presión y temperatura por debajo del punto triple y
aportando el calor latente de sublimación. Esta etapa tiene lugar en el
liofilizador.
3.- Evaporación o desorción del agua que queda todavía adsorbida en
el interior de la piña. Es decir una vez sublimado todo el hielo, todavía
queda cierta agua retenida en el alimento (agua enlazada) para ello se
aumenta la temperatura del liofilizador manteniendo el vacío lo cual
favorece su evaporación, o bien el producto es llevado a un secadero.
14
Una vez liofilizado el alimento, para sacar el alimento del liofilizador hay
que romper el vacío, realizándose con nitrógeno líquido. Durante el
proceso de liofilización suceden dos procesos:
- Transferencia de vapor de agua desde el frente de hielo a través de la
capa seca hasta la zona calefactora por difusión.
- Transmisión del calor desde la zona calefactora a la superficie del
hielo a través de la capa seca o liofilizada por conducción.
1.4.2. SECADO POR OSMOSIS
El secado osmótico consiste en sumergir la fruta en trozos, en una
solución de agua con azúcar (jarabe), la cual obliga a salir el agua de la
fruta. Posteriormente el proceso se complementa con el secado con aire
caliente. Utilizando este método es posible reducir hasta un 50% del peso
inicial de las frutas, por cuanto se disminuye el tiempo necesario para el
secado con aire lo que representa un ahorro energético.
Los productos deshidratados por la vía osmótica y luego secados con
aire caliente hasta la humedad de conservación, en muchos casos
poseen mejores características sensoriales, y en general mejor calidad
que las frutas secadas únicamente con aire caliente.
El secado osmótico de piña (Ananas comosus), consiste en sumergir
rodajas de piña en un jarabe de azúcar de 50 ° Brix, con una relación
fruta: almíbar de 1:2, hasta alcanzar 65-70% de humedad en la fruta.
Luego de un lavado superficial y drenado para eliminar el exceso de
jarabe, las rodajas se empacan en bolsas de polipropileno. Después de
la deshidratación osmótica se puede realizar un secado con aire
caliente, para obtener un producto de humedad más baja (20-25%).
(http://www.fao.org/inpho_archive/content/documents/vlibrary/AE620s/Pp
rocesados/FRU7.HTM 09/11/12 5.40 PM)
CAPITULO II
15
MARCO TEORICO
2.1. SECADO
Este es el método más antiguo utilizado por el ser humano para preservar
los alimentos. El método se basa en el hecho de que los microorganismos
que contaminan los alimentos no pueden crecer en los alimentos secos por
la ausencia de agua libre. Las carnes, frutas, vegetales, etc., eran
colocados a la luz solar para que se les evaporara el agua que tenían; de
esta manera, se lograba que durara mucho más tiempo [1]
Por lo general, el término secado se refiere a la eliminación de la humedad
en una sustancia, siendo esta generalmente agua. En el secado
convectivo, la energía necesaria para eliminar la humedad del material que
se seca la proporciona la corriente gaseosa (generalmente aire) en
contacto con el material. La humedad eliminada en forma de vapor, es
arrastrada por la corriente de gas. El secado puede ser acelerado por la
velocidad, temperatura, humedad y dirección del aire de secado (Treybal,
1997). Otro factor de importancia que afecta la velocidad de secado es el
llamado encogimiento del material. El encogimiento en las capas de la
superficie pone las capas más profundas bajo compresión. Esto lleva al
componente líquido del tejido a través de los poros, grietas y capilares
hasta el flujo de masa exterior. Este movimiento depende de la proporción
del flujo exterior y la habilidad del tejido de la pared celular para pasar o
retener las sustancias disueltas que acompañan el líquido hacia fuera de la
pieza (Sánchez, 1993). [2]
Se entiende como secar al proceso en el que se transfiere el agua
contenida en un producto al aire que le rodea. Esto requiere gran cantidad
de energía térmica para evaporar dicho agua. Esta energía se denomina
calor latente.
16
El secado conlleva:
− Transferencia de calor al producto para aumentar la presión de vapor del
agua contenida en el producto, hasta igualarla con la del ambiente para
que se produzca la evaporación.
− Transferencia de calor al aire que rodea al producto para reducir su
humedad relativa por debajo de la del ambiente y que acepte el vapor de
agua que liberará el producto. Este proceso se conoce como adsorción.
− Transferencia partículas de agua desde el interior del producto a su
superficie, y de ésta al ambiente. Los procesos se denominan
respectivamente difusión y desorción
− Movimiento del aire que envuelve al producto para arrastrar las partículas
de agua que se han transferido desde el producto.
Por eso un secadero deberá aportar el calor necesario para que esto
suceda, además de una corriente de aire que se lleve el vapor que saldrá
del producto. [4]
2.2. SECADOR SOLAR
La instalación donde se llevará a cabo el secado del producto se denomina
secadero, secador o deshidratador. Este texto se referirá a ellos como
secadero.
Los secaderos solares obtienen la energía necesaria para el secado de un
producto a partir de energía solar. Existen diversas configuraciones,
pudiendo ser la energía solar la única fuente de energía o una fuente
complementaria. El flujo del aire puede ser generado por convección
natural o por convección forzada, y el proceso de secado puede ser
mediante la circulación de aire precalentado o por exposición directa del
producto al sol, o una combinación de ambas. [4]
2.2.1. Principios
En el secado solar, se usa sólo la energía del sol como única fuente
de calor o como una fuente suplementaria, siendo un efecto
combinado entre el aire que se mueve sobre el producto de manera
natural o por medios mecánicos y el calor producido por el sol. El
17
secado se puede hacer calentando previamente el aire y luego se
pasa a través del producto o este se expone de manera directa, o
puede ser una combinación de ambos. El calor absorbido por el
producto brinda la energía necesaria para la evaporación del agua
que contiene, siendo el proceso que ocurre en su superficie, una
simple evaporación.
El agua empieza a evaporarse en la superficie del producto húmedo
cuando la energía que absorbe, hace que aumente su temperatura
lo suficiente para evaporar el agua. En el secado con exposición
directa al sol, parte de la energía penetra el material y es absorbida
dentro del producto, por lo tanto genera calor en el su interior y en su
superficie. La absorción de la radiación solar del producto es un
factor importante en el secado solar directo [1]
2.3. CLASIFICACION DE SECADORES
2.3.1. Según el uso de una fuente auxiliar de energía
Los sistemas de secado solar se pueden clasificar de acuerdo a la
forma que se calientan y la manera que se usa la energía solar, por
lo general en secadores solares activos y pasivos, estos últimos para
su funcionamiento requieren de energía adicional: mecánica o
eléctrica (ventiladores). Cada uno de ellos se puede dividir de
acuerdo a como están distribuidos sus componentes: a) secadores
solares tipo integral; b) secador solar tipo distribuido; y c) secador
solar modo mixto. [1]
2.3.1.1. Secadores solares pasivos
Hacen uso exclusivo de energía solar como la única fuente de
energía. Este tipo abarca tanto la forma más tradicional de
secado, que es simplemente exponer el producto al sol
directamente, como también un método más sofisticado que
consiste en hacer uso de la convección natural generada con la
18
energía solar térmica, de manera que se hará circular una
corriente de aire por el producto. [4]
Figura 1: Ejemplo de secadero solar pasivo (Norton 1997)
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador
solar en Nicaragua
A. Secadores abierto al sol
El secado de productos expuestos al sol, es el método tradicional
más usado por la mayoría de las regiones agrícolas del mundo.
Existen dos formas, una en donde el producto se deja en la planta
hasta su secado final y el otro en donde este se esparce sobre la
tierra o un piso y de esta manera los alimentos quedan expuestos a
la radiación solar y al aire, esto trae problemas como: la
susceptibilidad al ataque de roedores insectos y plagas, además
del polvo y contacto humano inadecuado. En esta técnica se
requiere que el producto se mueva para acelerar el proceso de
secado. [1]
B. Secadores solares con circulación natural
En este caso el aire se calienta con el sol y se hace circular a
través del producto, se llaman pasivos porque no utilizan
componentes mecánicos o eléctricos para este fin.
19
Existen tres tipos de secadores solares con circulación natural: a)
secador solar con circulación natural tipo distribuido; b) secador
solar con circulación natural tipo integral; y c) secador solar con
circulación natural modo mixto. [1]
C. Secadores solares con circulación natural tipo distribuido
Funciona con temperaturas más altas que los directos y producen
más producto seco de mejor calidad. Sin embargo, es difícil
mantener las condiciones constantes de secado, debido a las
variaciones de la temperatura del aire y dificulta la carga y
descarga de la cámara. [1]
D. Secador solar con circulación natural tipo integral
En los secadores solares con circulación natural tipo integral o
secadores solares directos, el producto se coloca en la cámara de
secado con paredes transparentes que permiten la entrada de la
radiación del sol, la cual incide de manera directa en el producto.
[1]
E. Secador con circulación natural tipo invernadero
Este tipo de secador solar se controla el flujo de aire, tienen mayor
capacidad y en general en este tipo de secador se tiene un mayor
control del proceso de secado. [1]
F. Secador con circulación natural modo mixto
Estos secadores combinan las características de los secadores
directos y de los indirectos. Se combina la radiación directa sobre
el producto y el precalentamiento del aire en un colector solar. [1]
G. Secador de gabinete solar pasivo
20
Este tipo de secador por lo general consiste de una caja aislada
con una o dos cubiertas transparentes con perforaciones en la
base y en la parte superior de las paredes del gabinete. La
radiación solar atraviesa la cubierta transparente y esta es
absorbida por la superficie interior ennegrecida. La circulación del
aire caliente húmedo se realiza a través de las aberturas superiores
mientras es remplazado por aire fresco que entra por las aberturas
inferiores.
Se selecciono este tipo como prototipo debido a: su construcción
sencilla, la variedad de materiales con los que se puede construir
sin embargo, se pueden alcanzar temperaturas altas que pueden
dañar al alimento, por lo que se debe mejorar la circulación del aire
al interior.[1]
2.3.1.2. Secadores solares activos
Los sistemas de secado solar activo en algunos casos solo
pueden depender parcialmente de la energía solar. Este tipo de
secador utiliza solamente la energía solar como fuente de calor
pero emplea ventiladores y bombas para la circulación forzada
de aire, en donde se requiere del consumo de energía eléctrica.
[1]
Son aquellos que obtienen la energía térmica del sol, pero
emplean una fuente de energía auxiliar. Dicha energía puede
tener dos propósitos: provocar el movimiento del aire en su
interior, creando convección forzada, o complementar el calor
aportado por radiación solar, si esta no alcanza el valor mínimo
deseado. En el primer caso citado, generalmente se hace uso
ventiladores. En el segundo caso combustibles fósiles. [4]
21
Figura 2: Ejemplo de un secadero solar activo (Norton 1997)
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador solar
en Nicaragua
2.3.2. Según la temperatura de secado
2.3.2.1. Secadores de alta temperatura
Destinados a productos que necesitan un secado muy rápido,
normalmente por evitar mucho tiempo de contacto con el aire.
Existen dos configuraciones dentro de ésta: de lote o de flujo
continuo. La primera abarca aquellos secaderos en los que el
producto es introducido por lotes, secado y posteriormente
retirado.
En la segunda se hace circular el producto a contracorriente con
la corriente de aire, generalmente empleando fuerzas
gravitatorias, de tal manera que el producto se seca según cae.
Generalmente esta clasificación abarca los secaderos que
funcionan a temperaturas superiores a 100ºC, aunque el rango de
temperaturas en el que trabajará dependerá del producto,
refiriéndose con alta temperatura a una temperatura relativa a la
que el producto puede tolerar. En general emplean combustibles
fósiles o electricidad, pero para algunos productos se puede
emplear energía solar. [4]
22
2.3.2.2. Secadores de baja temperatura
El proceso de secado es más lento, de tal manera que el producto
se expone a una corriente de aire durante un periodo de tiempo
más largo, por lo que el producto debe tolerar estar expuesto por
mucho tiempo a una corriente de aire, e incluso a fluctuaciones en
el flujo de calor.
Generalmente se utiliza para productos con una humedad inicial
no muy alta, no más de un 40%. La temperatura de
funcionamiento será menor de 100 ºC, aunque como se dijo
anteriormente depende del producto a secar. Como las
temperaturas son menores para este caso, y por tanto necesitan
menor cantidad de energía, este tipo de secaderos son más
apropiados para el uso de energía solar. [4]
2.3.3. Según el empleo de la radiación solar
2.3.3.1. Secadores solares integrales o directos
El producto es situado en cámaras transparentes, de tal manera
que la radiación solar le llega directamente.
Figura 3: Ejemplo de secadero solar integrado o directo
(Norton 1997)
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador solar
en Nicaragua
23
2.3.3.2. Secadores solares distribuidos o indirectos
El aire que circulará por la cámara donde se sitúa el producto será
precalentado haciendo uso de energía solar térmica, mientras que
la cámara donde se sitúa el producto es opaca, protegiéndolo de
la radiación solar directa.
Esto es muy útil cuando el producto puede verse perjudicado por
exposición directa al sol, especialmente cuando se trata del color,
pues la luz del sol es muy agresiva en este aspecto, deteriorando
las propiedades superficiales de los materiales. [4]
Figura 4: Ejemplo de secadero solar distribuido o indirecto
(Norton 1997)
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador solar
en Nicaragua
2.3.3.3. Secadores solares mixtos
Este tipo de secaderos combina los dos métodos anteriores, de tal
manera que el aire que circula por la cámara donde se encuentra
el producto entra precalentado haciendo uso de energía solar
térmica, pero igualmente la cámara que alberga el producto
permitirá el paso de la radiación solar.[4]
24
Figura 5: Ejemplo de secadero solar mixto (Norton 1997)
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador solar
en Nicaragua
A continuación se muestra a modo de resumen un esquema de
las diferentes combinaciones de las configuraciones presentadas
Figura 6: Esquema de las diferentes conjugaciones de
secaderos solares presentados (Norton 1997)
25
Fuente: Diseño y Construcción del colector de un secador solar
en Nicaragua
2.4. COMPONENETES DE UN SECADOR
La configuración básica de un secador consiste de un sistema que genere
aire caliente el cual puede estar compuesto de un ventilador y una serie
de hilo de resistencia eléctrica de Nicrom (Niquel y Cromo) para generar
calor, también debe de contra con un colector y un alimentador. Sin
embargo para propósitos educacionales son comunes los secadores sin
alimentador ya que las cantidades de los alimentos a deshidratar son
menores. [3]
El arreglo final de estos componentes es característico de cada tipo de
secador.
26
Figura 9: Esquema básico de un secador
Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA UNI-RUSB
2.4.1. Generador de aire
Los secadores de aire deben de constar con un sistema que permita
la entrada de aire a diferentes velocidades de flujo por eso se utilizan
ventiladores o motores que se utilizan en los sistemas de
refrigeración y también extractores de aire los cuales son polarizados
de manera inversa para trabajar como generadores de aire.[3]
2.4.2. Calefactor
En calefactores directos el aire es calentado cuando se combina con
gases de combustión de escape. En calefactores indirectos el aire o
producto es calentado a través de placas de resistencias eléctricas.
El costo de los calentadores directos es mas bajo que los indirectos
pero algunos productos se llegan a dañar o contaminar debido a los
gases. [3]
27
2.4.3. Alimentador
Los alimentadores o “feeders” más comunes utilizados en los
secadores para sólidos húmedos son los transportadores de tornillo,
mesas rotantes y bandejas vibratorias. En algunos casos se tienen
que utilizar alimentadores especiales en secadores de cama ancha
para asegurar la expansión uniforme del alimento. [3]
Otros componentes que son utilizados en los secadores para verificar
el estado dentro del mismo son: termómetro de mercurio, medidores
de presión y humedad y básculas que censan la pérdida de agua del
alimento.
Por lo general los secadores que se utilizan en los laboratorios de
investigación cuentan con todos esos elementos con el propósito de
hacer pruebas y de monitorear el comportamiento del secador y del
alimento que se esta deshidratando. [3]
2.5. LA PIÑA
La piña o ananá, es una planta de la familia de las bromeliáceas, nativa
de América del Sur. Es una planta perenne, de escaso porte y hojas duras
y lanceoladas de hasta un metro de largo, que fructifica una vez cada tres
años produciendo un único fruto fragante y dulce, muy apreciado en
gastronomía, siendo, de todos los procedentes de América Latina el que
más éxito tiene en Europa.
Los principales departamentos productores de piña en Perú, en primer
lugar esta Junín con un 39% seguido de la libertad con un 17% y Loreto
con 14%. (http://ciamericanaj.com/espanol/frutas.htm , 12/09/12, 5:23
p.m)
28
2.5.1. Descripción del producto
La piña es una planta de la familia de las Bromeliáceas que
contiene alrededor de1400 especies en todo el mundo. Muchos
de los miembros de esta familia son epifíticos, es decir viven
encima de otras plantas en zonas de clima tropical. La piña, a
diferencia de ellas, nace sobre tierra firme. Muchos miembros de
su misma familia los conocemos como plantas de jardinería, como
la guzmania o la billgergia. La planta de la piña (Ananas comosus)
es una planta perenne con una roseta de hojas puntiagudas de
hasta 90 cm de longitud. Del centro de la roseta surge un vástago
en cuyo extremo se producen las flores que darán lugar a la
infrutescencia conocida como piña, que es en realidad una fruta
múltiple. (AMPEX, 2012, p.4)
2.5.2. Nombre científico y familia
Nombre: Piña (español); Abacaxi (portugués); Pineapple (inglés);
Ananas (alemán, francés entre otros) Nombre Científico:
Ananascomosus L.
Familia: Broimeliaceae
2.5.3. Variedades de la piña
Cambray (Milagreña)
Es la variedad PEROLERA, originaria del Brasil y hasta hace poco
la más cultivada, su fruto se destina exclusivamente al consumo
local como fruta fresca, de tamaño grande, tiene forma cónica y
ojos profundos, corazón grueso, pulpa blanca, es poco adecuada
para la industrialización.
Cayena Lisa (hawaiana)
Posiblemente originaria de Guyana, con un área de cultivo en
permanente expansión dada sus posibilidades para la
industrialización y la exportación como fruta fresca, de tamaño
29
medio, la fruta tiene forma cilíndrica, ojos superficiales, corazón
delgado y pulpa amarilla.
Champaka F-153
Es un clon puro de la variedad Cayena Lisa, es más resistente a
enfermedades quelas otras variedades, es una variedad con gran
aceptación y alta demanda en los mercados de exportación.
MD2
Es una variedad híbrido que por su presentación, aroma etc.
Está catalogada como una fruta de lujo en los mercados externos
y que tiene gran demanda en el mercado de los Estados Unidos.
La MD2 tiene hasta tres veces más vitamina C que otras
variedades, es más dulce y tiene una cascara más dorada. La
MD2 fue introducida por Del Monteen el año 1996 después de 10
años de investigación en Costa Rica. Fue desarrollado en los
años ochenta por el instituto de investigación de la piña en Hawaii,
pero no era compatible con el clima de allá por esta razón fue
trasladado su cultivo y su desarrollo a Costa Rica.
La piña se puede exportar bajo el sistema de fruta fresca
convencional también como fruta orgánica o bajo el sistema de
comercio justo siendo estos dos últimos donde se paga mayor
precio. (AMPEX, 2012, p.5)
2.5.4. Calidad de la piña
Uniformidad de tamaño y forma; firmeza; libre de pudriciones;
ausencia de quemaduras de sol, agrietamientos, magulladuras,
deterioro interno, manchado pardo interno (endogenous Brown
spot), gomosis y daños por insectos.
Hojas de la corona: color verde, longitud media y erguida.
Intervalo de sólidos solubles = 11-18%; acidez titulable
(principalmente ácido cítrico) = 0.5-1.6%; y ácido ascórbico
30
(vitamina C) = 20-65 mg/100g peso fresco, dependiendo del
cultivar y del estado de madurez.
La fruta se clasifica en tres categorías:
· Categoría A.- frutos con peso superior a 1.5 kg.
· Categoría B.- frutos con peso comprendido entre 1 y 1.5 kg.
· Categoría C.- frutos con peso inferior a 1 kg,
El envasado se realiza en cajas de cartón con 11.5 kg netos/caja.
Temperatura Optima 10-13°C (50-55°F) para piñas parcialmente
maduras 7-10°C (45-50°F) para piñas maduras.
Humedad Relativa Óptima 85-90%
2.5.5. Aplicaciones
Las formas en que la piña se industrializa y los productos finales
que se pueden obtener de la piña son los siguientes:
PIÑA ENVASADA: Se exporta en rebanado, trozos
pequeños, su presentación es en latas las cuales son
llenadas en almibar
PINAS DESHIDRATADAS: Se obtiene de la eliminación
controlada de la mayor parte del agua libre de la piña, se
exporta e bolsas y cajas de cartón
JUGO: Se obtiene a partir de una trituración de los trozos de
la piña, se exporta en envases de vidrio y lata con
recubrimiento para protegerlo de la acides
NÉCTAR
PULPA
PULPA CONCENTRADA CONGELADA
PULPA ASÉPTICA
JUGO CONCENTRADO CONGELADO
JALEA
MERMELADAS
BOCADILLOS
31
RELLENOS
(FAO procesamiento de frutas y hortalizas)
2.5.6. Valor nutricional
El principal componente de la piña es el agua, que constituye
aproximadamente el85 % de su peso. Esta cantidad de agua
convierte a la piña en un alimento con un valor energético muy
bajo, por lo que personas con problemas de exceso de peso u
obesidad pueden incluirla en su alimentación sin ningún problema.
El nutriente principal de la piña son los hidratos de carbono
simples, que suponen aproximadamente el 11 % de su peso,
mientras que las proteínas y las grasas apenas están presentes
en esta fruta, al igual que en el resto.
En cuanto al contenido en vitaminas cabe destacar la presencia
de vitamina C, responsable de numerosas e importantes
funciones en el organismo como su participación en la formación
del colágeno (proteína presente en huesos, dientes y cartílagos),
de los glóbulos rojos, de los corticoides (hormonas) y de los
ácidos biliares. Además la vitamina C favorece la absorción de
hierro por parte de nuestro cuerpo y posee una importante función
inmunológica ya que potencia la resistencia del organismo frente
a la infecciones.
La vitamina C es una sustancia con acción antioxidante, es decir,
nos protege frente a los radicales libres, asociados al
envejecimiento y a algunas enfermedades. Además de vitamina
C, la piña posee en cantidades inferiores, vitamina B1 y B6. En
relación con los minerales, potasio, magnesio, cobre y
manganeso, son los más abundantes.
32
La siguiente tabla describe la composición nutricional básica de la
piña. La tabla explica la información nutricional que contiene 100
gramos de piña. (AMPEX, 2012M p.6)
Tabla 1: Composición nutricional básica de la piña
Fuente: tabla de composición de alimentos FAO
33
CAPITULO III CORRIDAS EXPERIMENTALES
3.1. Materiales
Vasos de precipitación de 150 ml
02 Lunas de reloj
Pinzas
3.2. Equipos
01 una balanza de precisión
01 horno eléctrico
01 colector solar
3.3. Procedimiento del diseño y elaboración del secador
3.3.1. Primera Etapa
Cálculos termodinámicos y de transferencia de calor basados en las
variables meteorológicas como: velocidad del viento, irradiación solar,
latitud, humedad y temperatura del aire, elección de los materiales para la
construcción del colector solar (Montero I. 2005).
Se realiza el 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 emplea las ecuaciones de transferencia de calor y se realiza el
balance de energía que permite simular el comportamiento del aire dentro
del colector.
34
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).
3.3.2. Segunda etapa
Cálculo y elección de las dimensiones de la cámara de secado, se toma
como referencia la cantidad de producto a secar y el ancho del colector,
similar al ancho de la cámara de secado (Montero I. 2005).
3.3.3. Tercera etapa
Simulación para el diseño del secador solar.
3.3.4. Cuarta etapa
Construcción del prototipo.
Los materiales empleados para la construcción del prototipo del secador
solar son los siguientes (Montero I. 2005):
1. Madera Triplay, se emplea como recubrimiento del secador, para ello se
acondicionarán diversas tapas de acuerdo a los planos. Se eligió este
material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz.
2. Teknopor, se utiliza como aislante en determinadas zonas del secador
solar.
3. Lámina de metal, esta será pintada de color negro para absorber
eficientemente la radiación solar emitida por la fuente de energía radiante
35
(el sol), nos referiremos a ellas como la placa absorbente, por estar
distribuidas en el colector contiguamente.
4. Vidrio cristal, es la cubierta, esta placa de vidrio será colocada sobre las
pestañas laterales del colector, para evitar su deslizamiento.
3.4. Procedimiento para el deshidratado de la piña
1. SELECCIONAR (1ª VEZ)
Separar los productos en buen estado y descartar los productos en mal
estado, muy maduros o con manchas
2. LAVAR (1ª VEZ)
Con agua limpia para limpiar la suciedad de la superficie de los
productos a secar.
3. SELECCIONAR (2ª VEZ)
Cortar con un buen cuchillo todas las partes inservibles del producto:
cascara, restos de raíz, tallo, semillas y las partes descompuestas,
lastimadas o inmaduras, etc.
4. CORTAR
Según el producto y la presentación deseada, cortar en forma de cubos,
trozos, rodajas o tiras. En todos los casos el espesor de los pedazos no
debe pasar los 0,5 a 1 cm de grueso, para favorecer un secado
adecuado.
5. LAVAR (2ª VEZ)
Por segunda vez con abundante agua para eliminar cualquier suciedad.
Cascara que pueda haber.
36
6. PRETRATAR
Según el tipo de producto se aplicara diferentes tipos de pre tratamientos
tales como blanqueado, baño en jugo de limón, salado, baño en solución
de meta bisulfito de sodio o potasio, etc.
7. SECAR
Colocar los productos preparados sobre los tamices de secado en capas
delgadas y regulares. Es preferible poner los productos a secar bien
temprano a la mañana, para extraer la mayor cantidad de agua durante
el primer día. Durante el secado se debe controlar regularmente los
productos. Al finalizar el secado, retirar los productos del secadero.
8. SELECCIONAR (2ªVEZ)
Antes de envasarlos separar aquellas partes mal secadas o quemadas.
9. ENVASAR
Después del secado los productos tienen que ser envasados
rápidamente, para que no vuelvan a humedecerse por la humedad del
ambiente. Para el efecto se pueden utilizar recipientes de plástico, cajas
latas herméticas de metal o bolsas de polipropileno (no polietileno), que
se tienen que sellar con vela o una maquina selladora. Etiquetar cada
recipiente con los siguientes datos: contenido, peso, fecha de envasado.
Es muy importante dejar unos paquetes o frascos en cantidad de
“testigos” para conocer su duración y en los próximos secados, coloca
este dato como una importante información nutricional que los
consumidores apreciaran mucho.
10. ALMACENAR
Para la buena conservación de los productos secos, debe almacenarlos
en buenas condiciones:
Guardar los productos en un lugar seco, aireado, si es posible fresco y
protegido de la luz.
Este lugar debe ser limpio y protegido de insectos y ratones.
Cada cierto tiempo, hay que controlar el estado de los productos.
37
No depositar los productos almacenados en el suelo ni contra las
paredes para evitar el riesgo de absorber humedad.
Si los productos secos son de buena calidad y están en buenas
condiciones de almacenado pueden conservarse durante muchos
meses.
3.5. FLOWSHEET DEL PROCESO DE SECADO DE LA PIÑA
1: PIÑA 2: AGUA 3: PIÑAS EN MAL ESTADO 4: CASCARAS DE PIÑA 5: VAPOR DE AGUA 6: PIÑAS NO SECAS 7: PIÑA SECA 8: AGUA RESIDUAL
3.6. BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
3.6.1. BALANCE DE MATERIA
a: piña
b: agua
38
Si: F=1000 Kg,
BALANCE TOTAL
F= V+P+R (1)
1000= V+P+R
BALANCE PARCIAL
PARA LA PIÑA
F( wFa )= V( wVa )+P( wPa )+R( wRa ) (2)
1000(0.15)= V (0)+P (0.8)+R (1)
150= 0.8P+R
PARA EL AGUA
F( wFa )= V( wVa )+P( wPa )+R( wRa ) (3)
1000(0.85)= V (1)+P (0.2)+R (0)
850= V+0.2P
Por lo tanto para F=1000 Kg
Se obtiene: V=812.5
P=187.5
R=0
SECADOR
Alimentación
Vapor de agua
Desechos
Piña Seca F
V
P
R
wFa= 0.15
wFb= 0.85
WVa= 0
WVb= 1
WRa= 1
WRb= 0
WPa= 0.8
WPb= 0.2
39
3.6.2. BALANCE DE ENERGIA
3.6.2.1. EN EL COLECTOR SOLAR
( ) ( )
( ) ( )
[
]
3.6.2.2. EN LA CAMARA DE SECADO
( ) ( )
( ) ( ) ( )
Los coeficientes de transferencia de calor por convección y radiación
son:
(
)
( )
h2=h1
Si
(
)( )
SI
(
)( )
(
) (
)
40
La energía útil del colector solar será
[ ( )]
SI
En la que
( )
( )
* (
) (
)+
Las temperaturas medias del aislante y la placa absorbente son:
La temperatura media del aire viene a ser
(
)
Si
41
En la que el factor de remoción será:
(
( ) ⁄
)
La temperatura del aire en la salida del colector solar será
(
( ) ⁄
)
Reemplazando valores
La energía útil del colector solar se obtiene de la ecuación
( )
Para la obtención de la radiación solar en la superficie del colector, se
debe calcular el factor R de conversión de radiación en la superficie
horizontal para la radiación en la superficie inclinada
( ) ( )
La radiación solar absorbida por la superficie del colector es dada por
S=SHRa
La declinación puede ser calculada por la ecuación
[ ( )
]
Reemplazando valores se tiene que la declinación es
42
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS
Seguidamente presento los resultados de las pruebas realizadas para
determinar el porcentaje de humedad para el secado de la piña.
Experimento Área del
colector
solar (m2)
Temperatura
del aire
(ºC)
Tiempo de
secado
(horas)
Porcentaje de
humedad de
piña (%)
1 1.5 20 12 28
2 1.5 30 24 25
3 1.5 80 12 18
4 1.5 80 24 16
5 2 30 12 19
6 2 30 24 18
7 2 80 12 17
8 2 80 24 20
4.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En la tabla anterior se puede observar los 8 experimentos realizados a
diferentes áreas, temperaturas del aire y tiempo de secado del colector
solar para determinar el mayor porcentaje de secado para realizar el
proceso de secado de la piña.
CONCLUSIONES
Se determino que la mejor área para el proceso de secado de la piña es
1.5 m2,
Se concluyo que a mayor temperatura de secado que es de 80ºC el secado
d ela piña es mejor
Se dedujo también que a mayor tiempo de secado que es de 24 horas se
logra reducir el porcentaje de humedad.
Por lo tanto para un área de secado de 1.5 m2, a 80ºC y 24 horas se logra
reducir hasta 16% el porcentaje de humedad.
2
RECOMENDACIONES
Realizar adecuadamente el balance materia y energía dependiendo para la
cantidad que se desea secar.
Tomar las temperaturas correctas para el análisis de secado.
Controlar adecuadamente el tiempo de secado.
3
BIBLIOGRAFIA
Blanco Cano, L. Proyecto fin de carrera caracterización, diseño y construcción
del colector de un secadero solar en Nicaragua.UNIVERSIDAD CARLOS
III DE MADRID
Cánovas, Barboza G., Dehydration Of Foods. UNIVERSIDAD DE LAS
AMERICAS PUEBLAChapman and Hall, 1996. 1º Edicion
Construcción de un secador solar de frutas y verduras: una experiencia
ciudadana (2009). Grupo Ciudadano, Cuernavaca, Morelos, MÉXICO.
Mendieta Bojorge, R.&Picado Rivera, A. Diseño tecnológico de un sistema
separador-secador para su utilización en la recuperación de cerveza
residual y posterior secado de la levadura sobrante. Universidad
Nacional De Ingeniería - Facultad de ingeniería química
Villanueva Pérez, M., Martínez Contra, A., Manfredo Di Lorenzo, M., Gonzales
Luna, J. &Castillo Ramos, R. Desarrollo de un prototipo para el secado y
cocción solar de alimentos. Institución.- Pauta: CEMAN, Esc. Sec. Fed
No.1, Liceo Monterreal
AMPEX asociación Macrorrregional de productores para la exportación
FAO procesamiento de frutas y hortalizas
Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI)
www.inei.gob.pe
MARN (Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales)
Ministerio de Agricultura del Perú
http://www.minag.gob.pe/
Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación
http://www.fao.org/
4
