Muchos productos agrícolas
requieren un secado artificial que acelere el secado tradicional al sol. Esta
aplicación de secado puede hacerse utilizando energía solar. Algunos cereales
como el maíz pueden requerir mucha energía para su secado, sobre todo si se
cosechan en lugares donde puede contener humedad excesiva. Pero son muchos los
productos que pueden deshidratarse y conservarse, y esta operación puede
hacerse con energía solar: tomate, plátano, ajos, especias, hierbas aromáticas,
setas, cebolla, pimentón, etc. También carnes y pescados pueden deshidratarse
utilizando la aportación de la energía solar.
Adaptación de sistemas de secado tradicionales para su uso con energía solar
Una cantidad significativa de la
energía que se requiere para el secado de los productos agrícolas puede
obtenerse con energía solar, y algunos sistemas pueden adaptarse.
El secado de alta temperatura a
alta velocidad no es adaptable para su uso con energía solar por tres
principales motivos: (1) los colectores solares simples no pueden proporcionar
una temperatura de secado lo bastante alta; (2) la cantidad de superficie de
colector requerida para suministrar todo el calor para un secador de alta
temperatura es demasiado grande (casi 4.000 m2); y (3) la energía
solar está disponible solamente cuando el sol brilla. Si tenemos un colector
grande, tal como una unidad de techo para calefacción de ganado, puede usarse
ventajosamente con secaderos de alta velocidad para precalentar el aire de
secado unos pocos grados.
Los secaderos a baja temperatura,
por otra parte, se adaptan bien a la energía solar. Siendo procesos lentos que
usan aire natural o ligeramente caliente para secar el grano mientras están
almacenados, la energía solar puede proporcionar el calor suplementario para
elevar la temperatura y reducir la humedad relativa del aire seco.
La energía solar también es
aplicable a secaderos que combinan alta y baja temperatura. Bajo este sistema,
un secadero de alta velocidad se usa primero para llevar el grano con alta
humedad hasta una humedad del 20 – 22 % de humedad. Luego el grano se
transfiere – sin enfriarse –a un secador de baja velocidad para un secado final
hasta su contenido de humedad apropiado, usando aire calentado con energía
solar. El propósito de este sistema combinado es reducir la humedad del grano
rápidamente a un nivel donde el secado a baja temperatura más barato puede
hacerse sin peligro de deterioro indebido.
Características de la energía solar en procesos de secado
La energía solar tiene tres
características principales que afectan a su adaptabilidad al secado de
alimentos: (1) es una energía difusa de bajo grado; (2) está disponible en su
punto de uso; y (3) es intermitente.
La captación directa de energía
solar difusa de bajo grado produce solamente una elevación moderada de la
temperatura; pero esto es usualmente suficiente para cumplir los requerimientos
del secado a baja temperatura. El aire entrando en un colector para un sistema
de secado se calienta solamente unos pocos grados. Ya que las pérdidas de calor
son proporcionales a la diferencia de temperatura entre el ambiente y las
temperaturas del colector, las pérdidas desde los colectores usados en secado a
baja temperatura son pequeñas. Por lo tanto, los colectores con coste
relativamente reducido son efectivos para el secado de grano.
Debido a que la energía solar
está disponible en cualquier sitio, puede colectarse y usarse donde sea
necesaria.
El hecho de de que la captación
de energía solar es intermitente supone un problema menor al secado de grano.
La energía solar es colectada solamente durante el día, lo cual significa que
hay variaciones en el secado entre el día y la noche. Pero ya que el proceso de
secado dura varios días, el grano puede tolerar los niveles variables de
entrada de calor. El exceso de energía es almacenado en forma de grano
sobresecado, que en la noche absorberá el exceso de humedad del aire con alta
humedad, de forma que el secado puede proceder. Es decir, el lote de grano que
se está secando proporciona su propio almacenamiento de calor.
Tipos de colectores solares
Ya que el secado de grano se
realiza con aire, casi todos los colectores usados para este propósito son de calentamiento
de aire.
Colectores de plástico
La gran ventaja de los colectores
de plástico es su bajo coste. Para un flujo de aire bajo a través de poca
profundidad de grano el ventilador de secado puede localizarse en el extremo de
admisión del tubo para inflarlo. De otra forma, se usa un ventilador separado
para inflar el tubo y mover el aire a través del colector.
Colectores de placa desnuda
Los colectores de placa desnuda
son simplemente superficies no cubiertas que absorben la energía solar. El aire
fluye a través de canales por su interior y recogen la energía atrapada.
Un ejemplo de un colector de
placa desnuda es un edificio de techo metálico coloreado de oscuro. Las láminas
del techo sirven como superficie absorbedora. Los canales de aire bajo el techo
están hechos de espacios encerrados entre las vigas o traviesas con madera
contrachapada, aglomerado o aislamiento. Este tipo de colector es simple y se
adapta a la construcción de edificios metálicos, pero es relativamente bajo en
eficiencia de colección.
Experimentos realizados con este
colector obtuvieron eficiencias medias de 18,2 %, y un aumento medio de 1,5 %
en la temperatura del aire, en 15 días de pruebas con un volumen de aire de
12,7 kg/s.
El colector de este tipo alcanza
eficiencias medias de 12 % con la superficie sin pintura y de 30 % con la
superficie pintada de negro opaco. El aprovechamiento de muros reviste mayor
interés en las latitudes mayores que en las regiones próximas al ecuador.
Colectores de placa cubierta
Los colectores de placa cubierta
son más efectivos que los colectores de placa desnuda. La cubierta permite
pasar a los rayos del sol a través de la superficie de absorción negra mientras
que lo protegen de las corrientes del viento que de otra forma incrementarían
las pérdidas de calor.
Los colectores solares planos con
superficie absorbedora cubierta por una lámina transparente se componen de una
placa, generalmente metálica, pintada de negro opaco, que absorbe la radiación
solar y está cubierta por una película semitransparente (plástico rígido o
flexible, o vidrio), lo que actúa como aislante térmico en la parte superior.
En la parte inferior el colector lleva aislamiento térmico con materiales como
lana de vidrio o poliestireno, entre otros.
Para poner un colector de placa cubierta
en un techo existente, simplemente pinte al techo de negro, coloque listones de
madera de 2 x 2 o 2 x 4 para hacer canales de aire y aplique fibra de vidrio o
plástico sobre las tiras de madera.
Al diseñar un nuevo edificio, el
techo del metal exterior puede reemplazarse con plástico reforzado con fibra de
vidrio que sirve como cubierta y el espacio del ático entero encima del techo
pintado de negro sirve de absorbedor.
La eficiencia de estos colectores
es superior, normalmente, a la de los de superficie descubierta. Esta
eficiencia llega al 50 % con aumentos de temperatura hasta 1 ºC para
incrementar la temperatura de 10 a 17 ºC
hay que instalar otra superficie transparente, paralela a la primera, a una
distancia no inferior a 1,2 m, para que la eficiencia no disminuya.
Colectores de placa suspendida
Estos son más eficientes que los
tipos de placa cubierta, debido a que el aire fluye a ambos lados oscurecidos
de la superficie de absorción y se pierde menos calor. La parte trasera y lados
del colector pueden ser aislados, pero el beneficio del aislamiento en
colectores de placa suspendida usados para secado de grano a baja temperatura
es pequeño.
Cálculo de la superficie de los colectores solares planos para calentamiento de aire forzado
Este cálculo se puede realizar
directamente cuando se conoce la eficiencia media de dichos colectores. En el
caso concreto del de granos, generalmente se necesitan aumentos de 1 a 3 ºC.
Además es preciso cuantificar la energía necesaria que el colector debe entregar
para calentar el aire. La energía necesaria para calentar el aire € depende del
flujo de aire (Q), de la entalpía específica del aire (C), del incremento de la
temperatura del aire (T) y del volumen específico del aire (Ve):
Así, el cálculo de la superficie
del colector (A), si se conoce la eficiencia media del colector € y la
radiación solar media incidente en la superficie inclinada de éste (l), se
puede realizar mediante la siguiente ecuación:
El valor de la radiación solar media
incidente en la superficie inclinada del colector (l) depende principalmente de
la latitud y de la altura de la zona, la época del año y el ángulo de
inclinación del colector en relación con la dirección de los rayos solares.
Construcción de colectores solares planos
Para la construcción de un
colector solar plano que sea eficiente y adecuado para el secado de granos, se
recomienda:
a) Usar
películas de polietileno con un espesor de 0,2 a 0,4 mm, de preferencia
tratadas contra la degradación por la radiación ultravioleta; materiales
rústicos, como madera, ladrillos, piedras, planchas metálicas, mallas de
alambre y otros que son de fácil manejo, bajo costo y mejor vida útil.
b) En
los colectores solares para calentamiento de aire, mantener la velocidad del
aire alrededor de 2,5 m/s, pues una velocidad del aire inferior a dicho valor
reduce la eficiencia de los colectores, y si sube de 5 m/s, causa elevadas
pérdidas de carga en el sistema.
c) Mantener
la pérdida de carga en el sistema colector en menos de 128 Pa, para el secado
de granos.
d) Proteger
las entradas de aire con telas metálicas con malla de 6 mm, para evitar la
entrada de pájaros, roedores u otros animales.
e) Los
materiales que están en contacto con el suelo deben ser resistentes a la
corrosión. En el colector-almacenador hay que colocar un plástico entre el
lecho de piedras y el suelo, para evitar el desarrollo de hierbas dañinas y de
hormigueros.
f) Usar
pernos en lugar de clavos, para facilitar la retirada del plástico transparente
para guardarlo cuando su uso ya no sea necesario.
Transportando el calor colectado
Si colectamos energía solar en el
techo o pared de un edificio, el aire solar calentado debe transportarse al
secadero de grano. Esto puede hacerse usando parte de la energía del ventilador
del secador para empujar todo o parte del aire de secado al colector.
Un conducto de aire normalmente
conecta el colector al ventilador del secador. Si el colector está bajo un
vacío ligero, el aire fluirá a través de cualquier grieta, y nada del calor
colectado se perderá.
No siempre es factible mover todo
el aire seco a través del colector, sino más bien controlar la cantidad que
fluye a través de él. Esto puede hacerse construyendo una “dog house” sobre el
ventilador del secador y equipándola con una puerta deslizante para mezclar
aire del exterior con aire calentado del colector como se muestra en la figura
con la que abrimos este artículo.
Puede usarse un ventilador de
colector separado para empujar o extraer la cantidad de aire recomendada a
través del colector. Este aire luego se dirige hacia la admisión de aire del
ventilador del secador, dejando espacio para que el aire del exterior sea
extraído en el ventilador junto con el aire caliente solar. Este sistema
requiere poca gestión y puede ser automatizada usando un reloj para cerrar el
ventilador del colector por la noche mientras que el ventilador de secado
continúa operando usando aire del exterior.
La presión estática requerida
para mover aire a través del colector solar se limitará a no más de ½ pulgada
de columna de agua. La velocidad del aire no excederá de 1.000 pies por minuto.
Aunque más aire a través del colector incrementa la eficiencia de colección,
esto conlleva que sea necesaria más energía y presión que el flujo de aire
incrementado.
Si se usa un colector solar multi-propósito
para calentar ganado o un área de trabajo, la velocidad del aire se limitará a
500 pies por minuto. El motivo es que los ventiladores de baja presión para
control ambiental no están habitualmente
diseñados para operar a presiones estáticas tan altas como las que
encontramos en el secado de grano. Adicionalmente, una baja velocidad permitirá
que el aire se caliente a una temperatura más alta.
En los conductos entre el
colector y ventilador en el silo, proporcionaremos un pie cuadrado de área conducto
por cada 1.500 pies cúbicos de volumen de aire. Mantendremos los conductos tan
rectos como sea posible, evitando curvas abruptas, y la longitud de los
conductos será tan corta como sea posible (preferiblemente menos de 100 pies).
Los conductos más grandes requerirán más potencia para mover el aire y tendrán
un área mayor para que ocurran pérdidas de calor. Los conductos entre colector
y ventilador deben estar aislados, a menos que estén localizados encima del
suelo y con orientación este-oeste, en cuyo caso servirán como área de colector
adicional.
Un factor limitante es la
distancia que el aire tiene que moverse, el coste de conductos de más de 100
pies, junto con las pérdidas, puede ser demasiado penalizador.
Bibliografía
Solar Heat for Grain Drying --Selection,
Performance, Management. Purdue University Cooperative Extension Service
West Lafayette, IN 47907
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