Secadores y deshidratadores de alimentos con energía solar

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