DINÁMICA DEL SECADO SOLAR EN EL ALTIPLANO ECUATORIANO.

ARQUÍMIDES HARO

INTRODUCCION• La dinámica en el proceso de secado es uno de los

factores más importantes que se debe conocer para mejorar su eficiencia, lo cual se asocia a la dinámica atmosférica y características del producto, particularmente de la parte superficial (Capa Límite Atmosférica CLA).

• Con la finalidad de encontrar la relación entre el proceso de secado y aquellos aspectos físicos-meteorológicos, se ha desarrollado el presente trabajo, para lo cual se prueba en diferentes condiciones.

• Para esto se usa el prototipo y modelo matemático diseñado en el proyecto “Diseño de un secador solar multiuso bajo condiciones físicas y meteorológicas de la ciudad de Riobamba”.

• La aplicación se realiza con datos de la ciudad de Riobamba (latitud Sur 1°40 6.94″ y longitud Oeste ′78°39 2,50″, meseta a 2.754 metros de altura sobre el ′nivel del mar) y se relacionan con datos a nivel del mar, tomados de la ciudad de Guayaquil.(2° 12' 00' latitud Sur y a 79° 53' 00' de longitud Oeste, con un promedio de altitud de 4,60 metros sobre el nivel del mar).

Riobamba – EcuadorNevado Chimborazo

CARACTERISTICAS FÍSICAS , METEOROLÓGICAS Y MICROMETEOROLÓGICAS• Ecuador por su posición geográfica, relieve y por ser una zona de convergencia de

corrientes marinas y aéreas, se caracteriza por tener condiciones meteorológicas particulares, presentando características dinámicas de la atmosfera en general complejas.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 520.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

f(x) = 0.0118357092580235 x + 13.2933841695031R² = 0.0450466324642098

TEMPERATURA AMBIENTE RIOBAMBA 2007 - 2012

MESES

TEM

PERA

TURA

(°C)

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52768.00

768.10

768.20

768.30

768.40

768.50

768.60

768.70

f(x) = − 0.000617286971339971 x + 768.381056530548R² = 0.0128672782255539

PRESIÓN ATMOSFÉRICA RIOBAMBA 2007 - 2012

MESES

PRES

IÓN

(mb)

CONDICIONES ATMOSFÉRICAS

PARAMETRO PROMEDIO

Velocidad 2,25 m/s

Lluvia 0,0005 mm

Temperatura 13,20 °C

Radiación solar216,16 W/m2

Presión 768,38 mb

Humedad 75,57 %

AnualEn

ero

Febrer

oMarz

oAbril

Mayo

JunioJulio

Agosto

Septiem

bre

Octubre

Noviembre

Diciembre

0

50

100

150

200

250

300

RADIACIÓN SOLARW

/m2

AnualEn

ero

Febrer

oMarz

oAbril

Mayo

JunioJulio

Agosto

Septiem

bre

Octubre

Noviembre

Diciembre

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

TEMPERATURA

T (°C

)

AnualEn

ero

Febrer

oMarz

oAbril

Mayo

JunioJulio

Agosto

Septiem

bre

Octubre

Noviembre

Diciembre

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

VELOCIDAD

v (m

/s)

PROMEDIO ANUAL

AnualEn

ero

Febrer

oMarz

oAbril

Mayo

JunioJulio

Agosto

Septiem

bre

Octubre

Noviembre

Diciembre

666870727476788082

HUMEDADH

(%)

AnualEn

ero

Febrer

oMarz

oAbril

Mayo

JunioJulio

Agosto

Septiem

bre

Octubre

Noviembre

Diciembre

768.1768.15

768.2768.25

768.3768.35

768.4768.45

768.5

PRESIÓN

P(m

B)

MICROMETEOROLOGÍA

Energy balance equation, in simplified form is:

• - RN Net radiation flux

• - QG Stored heat flux in the soil

• - QH sensible heat flux. The sensible heat represents: the heat that is emitted from the surfaces to the air by conduction or convection (H),as the heat flows by conduction to the ground (G).

• - QE Latent heat flux• Starting from

QG = aQ*• Means a = 0.1 for rural areas and a = 0.3 for urban areas (Doll D, Ching J. K. S. y

Kaneshire J).

• Where is αconstant, which we assume equal to 20 W/ m2. parameter “S” is defined by:

• [Van Ulden, Hostlag, 1985]

BALANCE DE ENERGÍA SUPERFICIAL

DATOS MICROMETEOROLÓGICOS

FLUJO DE AIRE

AISLANTE

POLICARBONATO

SUPERFICE CAPTADORA

RADIACION SOLAR

COLECTOR SOLAR• Por las ventajas teóricas, geométricas y prácticas, al ser el mas usado

se diseña un colector de placas planas, usando métodos de balances de energía y comportamiento térmico (Duffie y Beckman).

• Balance Energético en colectores de placa plana

• τ: Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector• α: Absorbancia de la placa

• Eficiencia y temperatura de salida

• Densidad ρ(kg / m3)

• Viscosidad dinámica µ(N.s/m2) • Conductividad térmica Kv (W/m.K)

• Inclinación de colector solarLa ubicación del colector en nuestro caso (hemisferio sur) debería estar hacia el norte con una inclinación similar a la latitud

MODELO COLECTOR

Riobamba Guayaquil0

5

10

15

20

25

30

35

TEMPERATURA DE SALIDA SIMULADA EN EL COLECTOR

900 W/m2600 W/m2300 W/m2

CIUDAD

TEM

PERA

TURA

°C

Riobamba Guayaquil50

51

52

53

54

55

56

57

58

EFICIENCIA SIMULADA EN EL COLECTOR

900 W/m2600 W/m2300 W/m2

CIUDAD

EFIC

IEN

CIA

%

RESULTADOS PRELIMINARES SIMULADOS

T=20 °CVc=1 m/s

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

INCREMENTO DE TEMPERATURA

GuayaquilRiobamba

Horas

Tem

pera

tura

°C

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:000

5

10

15

20

25

30

35

40

TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL MODELO

Salida Guaya-quil

En-trada Gua-ya-quil

Sali-da Rio-bamba

Hora

Tem

pera

tura

°C

7:008:00

9:0010:00

11:0012:00

13:0014:00

15:0016:00

17:000.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

TEMPERATURA SIMULADA PARA COLECTOR DE 2 m DE LARGO

GUAYAQUILRIOBAMBA

TEM

PERA

TURA

°C

88.9 215.8 274.1 220.3 428.8 775.2 604.8 550.1 496.6 323.9 293.055.8

56

56.2

56.4

56.6

56.8

57

57.2

EFICIENCIA RESPECTO A RADIACIÓN SOLAR USANDO DATOS DE GUAYAQUIL

Radiación solar W/m2

Eficie

ncia

%

84.1 170.9 297.3 448.1 1076.7 1035.3 349.3 109.6 216.3 102.5 90.755

55.5

56

56.5

57

57.5

EFICIENCIA RESPECTO A RADIACIÓN SOLAR USANDO DATOS DE RIOBAMBA

Radiación solar W/m2

Eficie

ncia

%

MODELO DE LA CÁMARA DE SECADO

Variables para la cámara de secado

ECUACIONES• Intercambio de energía en la cámara

Siendo : caudal másico de aire seco (kg/s); : calor específico del aire (J/kg °C); y : temperatura del agente desecante (aire) (°C); : temperatura del aire situado entre las dos bandejas del producto (°C); y : coeficientes convectiovos aire-producto para las bandejas (W/m2°C); y : superficie de las bandejas (m2); y : temperatura del producto húmedo (°C); : coeficiente de transmisión de calor convectivo aire-pared traslucida (W/m2°C); : superficie de una de las paredes traslucidas de la cámara (m2); : temperatura de la pared interna translucida (°C); : coeficiente de transmisión de calor convectivo aire-pared opaca (W/m2°C); : superficie de una de las paredes opacas de la cámara (m2); : temperatura de la pared interna opaca (°C).

• Intercambio de energía en las bandejas

Con y : masa del producto húmedo de las bandejas (kg); y : calor específico del producto (J/kg°C); y : masa de la materia seca (kg); y : contenido de humedad en base seca (kg/kgdb); : calor latente de vaporización (J/kg).

• Intercambio de energía en las paredes

Siendo : masa de la pared traslucida y opaca (kg); y : calor específico de las paredes (J/kg°C); y : coeficiente por intercambio de conducción de la pared (W/m2°C); y : temperatura de las pareds exteriores (°C); y : coeficiente de transmisión de calor convectivo medio-pared exterior (W/m2°C); y : superficie de las paredes (m2); temperatura ambiente (°C); : coeficiente de intercambio por radiación (W/m2°C); : temperatura media radiante del exterior (°C).

MODELO CÁMARA DE SECADO

DISEÑO DEL PROTOTIPO

SENSORESCantidad Sensor / Equipo

3 Transmisor de Humedad Relativa y Temperatura2 Sondas de Temperatura LM352 Célula de Carga2 Sensores de Velocidad de Aire1 Ventilador Extractor1 Compact Field Point 20201 Fuente Compact Rio2 Módulo AI-1001 Fuente de voltaje 24DC

RESULTADOS

7:01 7:51

8:41 9:31

10:21 11:11

12:01 12:51

13:41 14:31

15:21 16:11

17:01 17:51

18:410

5

10

15

20

25

30

35

40

TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL COLECTOR

Temperatura I Temperatura O

Tiempo

Tew

empe

ratu

ra °C

7:01 7:41

8:21 9:01

9:41 10:21

11:01 11:41

12:21 13:01

13:41 14:21

15:01 15:41

16:21 17:01

17:41 18:21

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

INCREMENTO DE TEMPERATURA ENTRE LA EN-TRADA Y LA SALIDA DEL COLECTOR

Tiempo

Tem

pera

tura

°C

7:01 7:31

8:01 8:31

9:01 9:31

10:01 10:31

11:01 11:31

12:01 12:31

13:01 13:31

14:01 14:31

15:01 15:31

16:01 16:31

17:01 17:31

18:01 18:31

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

TEMPERATURA DE SALIDA CALCULADA CON EL MODELO Y MEDIDA EN EL COLECTOR

Temperatura modelo Temperatura O

Axis Title

Axis

Title

7:01 7:21

7:41 8:01

8:21 8:41

9:01 9:21

9:41 10:01

10:21 10:41

11:01 11:21

11:41 12:01

12:21 12:41

13:01 13:21

13:41 14:01

14:21 14:41

15:01 15:21

15:41 16:01

16:21 16:41

17:01 17:21

17:41 18:01

18:21 18:41

0

5

10

15

20

25

30

35

40

TEMPERAQTURA DE ENTRADA Y SALIDA DE LA CAMARA DE SECADO

Temperatura ICTemperatura OC

Axis Title

Axis

Title

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

5

10

15

20

25

30

35

TEMPERATURA MEDIDA EN EL PROTOTIPO Y CALCULADA EN EL MODELO (MEDIA HORA)

Temperatura O Temperatura MS

Horas

Tem

pera

tura

°C

RATIO DE SECADO

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

SECADO MANZANILLA

Series1

Hora

%

HR=A*EXP(B*t)

A=0,0018T2-0,1858T+4,6467

CONCLUSIONES• El gradiente de temperatura en el colector en la ciudad de

Riobamba es mayor que en Guayaquil debido al bajo valor que asume el calor latente, por la disminución de la presión.

• El incremento del largo del colector aumenta rápidamente la temperatura de salida de la simulación en Riobamba, que en Guayaquil, debido a los flujos térmicos superficiales son mayores en esa posición.

• La eficiencia es menor en la ciudad de Riobamba respecto a Guayaquil, debido a la disminución de la densidad.

• En general se observa que los efectos de la altura influyen sobre el resultado de la temperatura y eficiencia.

• La comprensión de la dinámica permite planifica, diagnosticar y controlar el secado

GRACIAS