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Introducción
Existe una gran diversidad de sistemas e instalaciones que usan la energía solar térmica para la conservación de productos agrícolas y específicamente de frutas tropicales y uno de los mayores retos de estas tecnologías es su diseño.
Una revisión de los parámetros involucrados en el diseño de secadores solares se puede encontrar en Forson et al. (2007). Se presenta un método de diseño basado en las características del producto a deshidratar y en ensayos experimentales apoyados en principios generales de la termodinámica. Saravia et al. (2008) presentó un método de diseño basado en las curvas de secado del producto obtenidas experimentalmente, basándose en el cálculo computacional del comportamiento del secador mediante un programa se simulación de nombre SIMUSOL.
Corp (1998) en Cuba presentó un método de diseño gráfico basado en un nomograma, que aunque determina sólo los parámetros fundamentales, como el área de la lámina absorbedora, el volumen del secador y el flujo de aire necesario para deshidratar el material, reporta ventajas por su facilidad de uso y rapidez del cálculo de diseño. Todos estos métodos han obtenido resultados buenos en el diseño de secadores solares para el deshidratado de productos agrícolas.
La Asociación de Fruticultores del Soconusco del estado de Chiapas, México reveló que Chiapas ocupa el sexto lugar en la producción de mango a nivel mundial y el primero en exportar mango Ataulfo a los Estados Unidos de América y Canadá. En esta región se pierde hasta 15% del fruto por sobreproducción o por no poseer una buena calidad de exportación. Entonces, una de las forma de aprovechar al menos un por ciento de este mango es dándole un oportuno tratamiento poscosecha para poderlo comercializar. El tratamiento más apropiado por sus bajos costos y eficiencia es el secado solar.
Por tanto en esta investigación tiene como objetivo el diseño, construcción y evaluación un secador solar para el mango Ataulfo, donde se empleó una metodología basada en las leyes de la termodinámicas, de la transferencia de calor y masa, expresiones matemáticas empleadas en diseños de secadores solares y otras consideraciones de diseño. Además se realizó una evaluación en vacío (sin producto) del prototipo de secador y una evaluación con carga (con producto) que resulto en la curva de secado del mango Ataulfo. Además se realizó la evaluación en vacío (sin producto) del prototipo de secador y una evaluación con carga (con producto) que resulto en la curva de secado del mango Ataulfo.
Se plantea como hipótesis que la implementación de un sistema de deshidratado solar proporcionaría la posibilidad de aprovechar el mango Ataulfo que se pierde en la zona del soconusco por sobreproducción o falta de calidad exportable y que podría comercializarse como un producto seco en el mercado nacional.
Dicho secador debe llevar el mango Ataulfo desde su humedad inicial 80% a la conservación o de equilibrio de 10% y hacerlo con eficiencia, siendo esta una tecnología amigable con el medio ambiente, sencilla en su construcción y recomendable para el tratamiento poscosecha del mango.
Materiales y métodos
Diseño del secador
En el diseño del secador se parte de algunas condiciones meteorológicas del día del ensayo y características experimentales del mango Ataulfo. Para las condiciones del día del ensayo (21 de abril), se utilizó una estación actinométrica emplazada en el Centro de Investigación y Desarrollo de Energías Renovables (CIDTER) de la Universidad de Ciencias y Artes de Chiapas (UNICACH), donde se desarrolló el secador solar. Esta estación registra un gran número de parámetros ambiénteles, solo interesaron para este estudio la radiación solar, la temperatura ambiente y humedad relativa del aire, mediante su registrador WatchDog Data Logger 450. Este registrador incluye reloj y memoria interna para grabar la hora y el día de las lecturas. Se realizaron medidas a las variables cada media hora. Registra temperaturas entre -20 °F a 70 °F y humedades relativas entre 20% a 100%, con exactitudes de ±0.7 °F y ±3% respectivamente. La radiación solar se registró con un piranómetro adjunto a esta, con un rango entre 300 y 1100 W m-2 y un margen de exactitud de ±5%. Los datos que fueron útiles para el diseño fueron.
Radiación solar promedio: It= 500 W m-2; temperatura promedio del aire ambiente: Ta= 298 K; humedad relativa promedio del aire ambiente HR= 47%. Los datos del mango fueron obtenidos de la bibliografía referenciada a continuación: humedad inicial del mango: Miwb= 80% (producto fresco) (Buitrago, 2014); humedad final del mango: Mfwb= 10% (humedad de equilibrio) (Buitrago, 2014); densidad del mango ataulfo: ρ=1 050 kg m-3 (González et al., 2015); porosidad del mango: ξ= 0.9 (Ramírez et al. 2010).
El mango pasa por un pretratamiento consistente en lavado, pelado y rebanado. Estas rebanadas son sumergidas en una solución con 2% de ácido cítrico para evitar la oxidación, obteniéndose una masa inicial limpia de mango: Ww= 100 kg.
Cálculo del flujo de aire necesario para el secado
Hematian et al. (2012) plantearon que el aumento de la temperatura del aire ambiente al pasar por un colector solar es:
Donde: ΔT es la diferencia de temperatura entre el aire que sale del colector y el ambiente; β es un parámetro adimensional que está entre 0.14 - 0.25 y se asumió el valor de 0.2, Tb es la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica (100 ℃); Tc es la temperatura de congelación del agua a presión atmosférica (0 ℃); It es la intensidad de la radiación solar incidente promedio sobre el plano del colector; y Io es la constante solar (1 367 W m-2).
La cantidad de agua que se debe extraer al producto para llevarlo a la humedad final es segun Forson et al. (2007).
Donde: Ww es la masa inicial; Miwb es la humedad inicial base húmeda del mango; Mfwb es la humedad final del mango base húmeda.
Donde: Ra= 283 kJ kg-1 K-1 (constante de los gases ideales); Pa es la presión parcial del aire seco en la atmósfera; Cpa= 1.012 kJ kg-1 K-1 (calor específico del aire a presión constante), Tf es la temperatura promedio del aire que sale de la cámara de secado; Lt es calor latente de evaporación. Tf= Ta + 0.25 (ΔT), donde: Ta es la temperatura promedio del aire ambiente y To= 323 K (temperatura de salida del aire del colector) (Cengel y Boles, 2011).
La temperatura promedio del producto durante el secado (Tpt) se estimó como la media ponderada de las temperaturas To y Ta: Tpt=0.25(3To+Ta)= 316.5 K (Aquino et al., 2009). Chávez (2012) propone que el valor del calor latente de evaporación de la ecuación (3) se puede estimar mediante la siguiente expresión.
Donde: Rg es la constante de los gases para el vapor de agua (461 J kg-1 K-1): Tb es el punto de ebullición del agua (373 K); Pc es la presión crítica del agua (22.1 MPa); Tc es la temperatura crítica del agua (647.4 K) (Hernández, 2014).
El flujo de aire necesario para el secado del producto se obtuvo por:
Donde: t es el tiempo necesario para el secado del mango hasta su humedad de equilibrio, según los ensayos experimentales fue de t= 8 h.
Cálculo del área de secado en el interior de la cámara
Forson et al. (2007) plantea que el área efectiva para el secado (A) puede ser calculada por:
Donde: ρ= densidad del producto en condiciones húmedas; hl= espesor de la capa de producto en la bandeja (0.01 m); ξ= porosidad del producto; εv= fracción de la bandeja que queda vacía determinada experimentalmente (εv= 0.3).
La densidad de carga de las bandejas se determina por:
Cálculo del área de captación de la energía solar incidente
El área de captación de un colector solar está relacionada con la eficiencia del sistema de secado (ηs) que viene dada por la ecuación: (Duffie y Beckman, 1980).
Donde: Ac es el área total de captación; It es la energía incidente sobre el secador.
Determinación de la curva de secado
Para trazar la curva de la cinética de secado de un producto es necesario medir su pérdida de su peso en intervalos fijos de tiempo. El ratio de secado se determinó con la siguiente expresión (García et al., 2015; Doymaz, 2004).
DR arroja la curva de secado (kgagua kg-1 seco); (Mt+dt - Mt) es la variacion de la masa del producto (kg) y dt es la variación del tiempo.
Los productos agrícolas son higroscópicos, por lo que siempre les queda un contenido de humedad residual, que para cada ambiente de almacenamiento se llama “humedad de equilibrio” (Ekechukwu, 1999).
Descripción del experimento
Primeramente se realizó una evaluación en vacío (sin producto) para probar el comportamiento termodinámico de la instalación de secado, donde se obtuvieron parámetros de desempeño termodinámico del secador. Para esta evaluación se colocaron instrumentos que se detallan a continuación.
Termopares para medir temperatura, colocados en: cámara de secado, placa adsorbedora superior, placa adsorbedora inferior, compuerta de salida del aire húmedo de la cámara al ambiente, en el producto, a la entrada del aire al colector y a la salida del aire del colector. Son termopares tipo “K” que conectados a un Multímetro STEREN tipo gancho modelo MUL - 100 (con rango hasta de 750 oC). Sensor de humedad relativa, en la cámara de secado, marca HANNA HI-6838.
Para la experimentación con carga (con producto), se realizó primeramente una pre-preparación del mango, consistente en lavado, pelado y cortado en lascas de 0.01 m de espesor, estas fueron sumergidas a una solución de ácido cítrico 2% para evitar la oxidación, así quedo listo para ponerlo en una sola capa en las bandejas del secador. Estas fueron construidas con el fondo de tela metálica. Se dejaron escurrir por media hora antes de colocarlo en el interior del secador. Una vez situado todo el mango dentro del secador todo el mango se comenzó a registrar la pérdida de peso de una muestra de 21.2 g de mango con una balanza electrónica American Weigh. Para el procesamiento de datos se utilizó una computadora personal.
Resultados y discusión
En el Cuadro 1 se muestran los resultados de los cálculos del diseño del secador solar, según metodología descrita en el apartado anterior. Esta es fundamentalmente para el cálculo del área de captación solar y del área efectiva de secado, las cuales ayudan a obtener las bases del dimensionado del secador y poder hacer las consideraciones de diseño necesarias para la propuesta final del secador solar.
El flujo de aire necesario para el secado del mango fue G=0.042 kg s-1 y la densidad de carga de producto por bandeja de L=6.61 kg prod. m-2, estas son cantidades que están en los rangos propuestos por Forson et al. (2007) y Zuluaga et al. (2010). Se platea que debe estar G= 0.02 a 0.9 kg s-1 y la densidad de carga por bandeja entre los valores de 5 a 18 kg prod. m-2. Buitrago (2014) en su trabajo determino que el flujo de aire para el secado del mando es de G= 0.0115 kg s-1, cantidad algo inferior a los resultados de esta investigación debido a que la temperatura del aire es mayor y en cuanto a la densidad de carga por bandeja de 5.5 kg prod. m-2, cantidad muy similar a este artículo.
Consideraciones de diseño del secador solar
Con los resultados de los cálculos de diseño se selecciona el tipo de secador y se decide hacer un secador con dos colectores uno de convección natural (primario) en la parte inferior y otro de convección frazada (secundario) en la parte superior o techo del secador. Esta configuración es para darle más flexibilidad en su funcionamiento, ya que así puede trabajar el secador solo por convección natural en lugares donde se carezca de energía eléctrica de la red con tan solo dejar abiertas las compuestas (6) y en el caso de que si haya energía eléctrica puede el secador usar los dos colectores para el calentamiento del aire y solo se abren las compuestas (6) cuando el aire de la cámara este saturado.
Además ese colector secundario en el techo del secador disminuye sustancialmente las pérdidas de calor por el techo, lugar donde suelen ser significativas; incluso en el caso que no circulara aire forzadamente por este, también contribuiría a aumentar la eficiencia térmica del secador ya que se calentaría su lámina absorbedora y trasmitiría ese calor por convección natural a la cámara de secado y así constituye una barrera térmica.
De acuerdo al resultado del área de captación (Ac= 5.8 m2), se decide hacer un secador con 1.5 m de ancho, con esta medida de partida se distribuyeron las áreas entre los dos colectores. Tenido en cuenta que la trasferencia de calor en fluidos forzados es más intensa que en fluidos convectivos se asignó un área mayor de 3.6 m2 (2.4*1.5 m) al colector secundario y al colector primario 1.25 m2 (1.5*1.5 m).
Entre ambos suman 5.85 m2 de área colección, que representa 8.6% mayor al área de captación calculada, que se asume como rango de seguridad. Respetando que el secador tiene una anchura de 1.5 m y que el área efectiva de secado es de A= 15.12 m2, las dimensiones de la cámara serán 1.5 m* 2.3 m y de altura 1 m por el frente y 1.65 m por la parte posterior. Esto garantiza la inclinación del colector secundario (techo del secador) de 18°, lo que da un volumen aproximado de la cámara de secado de 3.8 m3. Con estas dimensiones se podrán acomodar 12 bandejas de 1.26 m2 cada una, con dimensiones de 0.9*1.4 m, dispuestas en dos filas de 6, separadas 0.1 m entre ellas. Las dimensiones generales se presentan en la Figura 1.
Para garantizar su trasportación y ensamblaje del secador solar de mango se construye de tal manera que las partes puedan ser acopladas fácilmente por medio de tornillos. Las partes ensamblables son los dos colectores, la cámara se forma al atornillar las paredes a un marco, las puertas se ensamblan por la bisagras. Una vez formado de esta manera se introducen las guías para bandejas o portabandejas ensamblado previamente por tornillos también Figura 2.
Para garantizar la separación del piso y la inclinación adecuada del colector primario, se dispone de una base en la parte inferior de la cámara con una altura de 0.35 m. Para permitir el acceso adecuado al interior de la cámara de secado, se diseñan dos puertas laterales en forma de dos hojas.
Descripción del secador
En la Figura 3 se muestra un esquema de un corte lateral del secador solar. Está compuesto por el colector primario (1) y secundario (9) y la cámara de secado (4). También cuenta con un ventilador axial (7) en la parte posterior, que tiene como función la recirculación del aire de forma forzada a través del colector secundario y la cámara de secado. El colector primario se encuentra en la parte inferior donde el aire del ambiente pasa por él a régimen termosifónico. La energía solar para a través de las cubiertas de ambos colectores (3) y (8).
En la parte posterior se encuentran dos aberturas (6) para la renovación desde la cámara del aire saturado y entrada de aire ambiente con diámetro de 0.1 m, hechas de tubos de PVC de 4”, con sus tapones. El producto se coloca en las bandejas (5). Todo el cuerpo de los colectores y de la cámara de secado está hecho de paneles multimuro aislados (2). Con flechas se describe el movimiento del aire dentro del secador.
En la Figura 4 se presenta los resultados de la evaluación en vacío del secador, se observa la variación de la radiación solar en el tiempo con un valor máximo de radiación de 910 W m-2, entre la 13:00 a las 14:00 h. El promedio de radiación solar en las horas de más incidencia solar (10:00 y las 16:00 h) es de 500 W m-2, siendo este un valor muy bueno propio de la época de primavera en la cual se realizó la investigación (21 de abril, día soleado de escasas nubes).
También se aprecia la variación de las temperaturas del aire ambiente, del aire en la cámara de secado y de un promedio de las dos placas absorbedoras de los dos colectores. La temperatura del aire (agente secante) va aumentando durante el día en la misma medida que se incrementa la radiación solar. La temperatura ambiente promedio fue de 25 oC y en la cámara de secado este alcanzó los 52 oC. Este incremento de 27 oC es muy apropiado para este tipo de instalación e idóneo para el proceso de secado del mango. La placa absorbedora superior alcanza temperaturas máximas de 70 °C en las horas de mayor radiación, esto indica que existen pocas pérdidas de calor en los colectores solares, una buena hermeticidad y un diseño adecuado, ya que es una temperatura elevada para la época de primavera. Valores similares a los de Iglesias et al. (2011).
En la Figura 5 se presenta la variación de la humedad relativa del aire ambiente y dentro de la cámara de secado en función del tiempo. Esta desciende desde 52% hasta un mínimo de 1.5% (sin carga) en horas del mediodía, de acuerdo a la variación de la radiación incidente. Se obtiene un valor promedio de 5.5% entre las 10:00 y las 16:00 h, valor muy apropiado para secado de productos agrícolas, ya que este aire exhibe una gran avidez por la humedad de dicho producto.
En la Figura 6 se muestra la variación del peso de una muestra de 21.2 g de mango Ataulfo el día de la experimentación. El peso comienza a disminuir de forma paulatina. A partir de las 14:00 h las disminuciones son más pequeñas, hasta que a las 17:00 h se alcanza la humedad de equilibrio y el peso se mantiene constante.
En la Figura 7 se muestra la variación de la humedad del mango, desde su humedad inicial del 80% hasta 8%, que es 1.6% por debajo de su humedad de equilibrio, según Buitrago (2014).
Como se observa en la Figura 6 y 7 las curvas tiene un comportamiento muy similar a la curva ya que el producto (mango) al irse deshidratando va perdiendo agua (humedad) y por ende peso. Ya que en eso consiste el proceso de secado, en la extracción del agua de un producto que constituye parte de su masa.
Una típica curva de secado se obtiene al representar el contenido de humedad libre (X) (kg de agua/kg de sólido seco) frente al tiempo de secado como se muestra en la Figura 8. En la ecuación (13) se expone la forma de calcular esta humedad libre (Aviara et al., 2002).
Donde: Xt es la humedad que se va registrando en el tiempo y Xeq es la humedad de equilibrio.
Conclusiones
Se diseñó, construyó y evaluó un prototipo de secador solar, en el cual se llevaron a cabo los ensayos del deshidratado del mango Ataulfo.
Se deshidrataron 100 kg de lascas de mango en un secador con 5.8 m2 de área de captación. El área de secado en la cámara es 15.12 m2 repartidos en 12 bandejas, en cada una se colocaron 8.33 kg de mango, esta cantidad de lascas de mango corresponden a 190 kg mango fresco ya que el resto lo constituye cascara y semilla. Al mango se disminuyo la humedad inicial de 80% a una humedad final de 8.4%, 1.6% inferior a la humedad de equilibrio reportada por Ocampo (2006) de 10%.
Para el deshidratado solar se emplearon 8 h sol, obteniéndose un mago seco con muy buenas características organolépticas, las cuales rebasan los objetivos de este artículo.
Este tipo de diseño de secador solar es muy flexible en su funcionamiento, ya que puede trabajar de forma autónoma sin suministro de energía eléctrica en caso de ser necesario, con tan solo abrir los conductos (6). La novedad de combinar en una misma instalación dos tipos de colectores uno de circulación natural y otro de circulación forzada ofrece mucha versatilidad y flexibilidad en su operación como deshidratador de productos agrícolas.
Estos resultados indican que ese secador es una solución real para aprovechar el mango Ataulfo que se pierde en la zona del soconusco por sobreproducción o falta de calidad exportable y ofrece una opción de comercializar el mango como producto seco en el mercado nacional; además ofrece una solución al problema abordado en este artículo. Al mismo tiempo ayuda a la economía de las familias productoras de mando y al desarrollo económico de la región, ofreciendo además posibilidades de empleo.
Estos resultados son válidos únicamente para el producto mango Ataulfo cosechado en la zona del Soconusco estado de Chiapas, México, en las condiciones expuestas aquí.
