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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
CARRERA:
INGENIERÍA MECÁNICA
Trabajo de titulación previa a la obtención del título de: INGENIERO
MECÁNICO
TEMA:
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE DESHIDRATADO DE
FRUTAS UTILIZANDO UN PROTOTIPO DESHIDRATADOR CON
ENERGÍA SOLAR
AUTOR:
ROMMEL DARIO SIMBAÑA SIMBAÑA
TUTOR:
LUIS ANIBAL ANDRANGO ANDRANGO
Quito, diciembre 2016
ii
iii
iv
Dedicatoria
A Dios y a la Virgen María por ser la fuerza para toda mi familia y ser la fortaleza
que día a día nos ha sostenido en los momentos más difíciles de nuestro hogar.
A mis padres Manuel Mesías Simbaña Quilachamin y María Clemencia Simbaña
Sanguña, por ser las personas en quien he podido confiar y apoyarme en el transcurso
de mi vida profesional como personal.
A mis hermanos, Daniel que es una fuente de inspiración para salir adelante en cada
amanecer que Dios nos regala, Klever y Anita por ser las personas más
incondicionales durante en proceso de crecimiento espiritual como profesional.
“Cuando estés y no estés mis oraciones estarán contigo”
v
Agradecimiento
Un agradecimiento a la Universidad Politécnica Salesiana, a todos los docentes que
han sabido formarnos como profesionales en la carrera de Ingeniería Mecánica y en
especial al director de proyecto Ing. Luis Andrango quien día a día aportó con sus
conocimientos y valores, los cuales han servido para poder culminar de manera
exitosa la carrera de Ingeniería Mecánica
vi
Índice general
CAPITULO 1
MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 1
1.1. Normativas en el Ecuador ............................................................................. 1
1.2. Estudios previos al análisis ............................................................................ 2
1.3. Incidencia del sol en el Ecuador .................................................................... 5
1.4. Consumo energético del prototipo solar ........................................................ 7
1.4.1. Declinación solar .................................................................................... 8
1.4.2. Ángulo de ocaso ..................................................................................... 8
1.4.3. Número de horas de sol teórico .............................................................. 8
1.4.4. Constante solar ....................................................................................... 9
1.4.5. Flujo de radiación extraterrestre............................................................. 9
1.4.6. Radiación extraterrestre diaria sobre una superficie horizontal ............. 9
1.4.7. Promedio mensual en el mes de irradiación solar diaria sobre una
superficie horizontal ........................................................................................... 10
1.4.8. Radiación estimada del sol en superficie inclinada.............................. 10
1.5. Proceso de transferencia de calor en frutas ................................................. 13
1.6. Carta psicométrica ....................................................................................... 15
1.6.1. Características principales .................................................................... 16
1.7. Condiciones de clima .................................................................................. 17
1.8. Calor útil ...................................................................................................... 20
1.9. Materia prima .............................................................................................. 23
1.9.1. Producción de la uvilla en el Ecuador .................................................. 23
1.9.2. Uvilla .................................................................................................... 24
1.9.3. Propiedades nutricionales..................................................................... 24
1.10. Materia prima .............................................................................................. 25
1.10.1. Deshidratación por convección o deshidratación por aire: .................. 25
1.10.2. Ventajas de la deshidratación ............................................................... 26
1.10.3. Desventajas de la deshidratación ......................................................... 26
1.10.4. Actividad de agua ................................................................................. 27
1.10.5. Curva de secado ................................................................................... 28
CAPÍTULO 2
PARÁMETROS DE FUNCIONABILIDAD ............................................................ 31
2.1 Mejoramiento del equipo ............................................................................. 31
2.2 Parámetros de funcionamiento .................................................................... 33
2.3 Comportamiento de la velocidad en el colector .......................................... 36
vii
2.1 Variables de funcionamiento del colector solar en vacío ............................ 43
2.2 Temperatura teórica generada por el colector ............................................. 44
2.3 Obtención de calor a través del colector ..................................................... 46
2.4 Pérdida de calor a través de las paredes ...................................................... 47
2.5 Irreversibilidad ............................................................................................ 48
CAPÍTULO 3
ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................ 50
3.1 Resultados sin carga .................................................................................... 50
3.2 Variables de funcionamiento de la cámara .................................................. 52
3.3 Procedimiento .............................................................................................. 53
3.4 Pruebas de deshidratación de uvilla ............................................................ 53
3.5 Deshidratación a 62°C a 3m/s ..................................................................... 55
3.6 Deshidratación a 62°C a 1.5m/s .................................................................. 58
3.7 Evaluación sensorial .................................................................................... 60
3.8 Evaluación de la humedad ........................................................................... 60
3.9 Evaluación del pH ....................................................................................... 61
3.10 Desarrollo de la simulación ......................................................................... 62
3.10.1 Modelación del prototipo deshidratador (Etapa de Pre-Procesamiento)
66
3.10.2 Mallado del prototipo (Etapa de Pre-Procesamiento) .......................... 67
3.10.3 Ingreso de variables al sistema (Etapa de Procesamiento)................... 68
3.10.4 Validación y análisis de resultados (Etapa de post-procesamiento) .... 69
CAPÍTULO 4
COSTOS .................................................................................................................... 75
4.1 Costos directos ............................................................................................ 75
4.2 Costos indirectos ......................................................................................... 77
Resultados .................................................................................................................. 79
Conclusiones .............................................................................................................. 80
Recomendaciones ....................................................................................................... 81
Bibliografía ................................................................................................................ 82
Anexos ....................................................................................................................... 88
viii
Índice de tablas
Tabla 1. Tabla de ponderación ..................................................................................... 4
Tabla 2. Tabla de irradiación solar en la Universidad Politécnica Salesiana-Kennedy7
Tabla 3. Modelo matemático para describir el comportamiento cinético de secado. 14
Tabla 4. Propiedades psicométricas del aire con temperatura del ambiente .............. 18
Tabla 5. Condiciones psicométricas dentro de la cámara de deshidratado ................ 19
Tabla 6. Características del aire a temperatura determinada...................................... 20
Tabla 7. Propiedades nutricionales de la Uvilla ......................................................... 25
Tabla 8. Características fisicoquímicas de uvilla ....................................................... 28
Tabla 9. Mejoramiento del equipo ............................................................................. 32
Tabla 10. Condiciones de diseño de la cámara de deshidratación ............................. 35
Tabla 11. Condiciones de diseño del colector solar ................................................... 36
Tabla 12. Tabla propiedades del colector solar .......................................................... 46
Tabla 13. Valores de temperatura sin carga ............................................................... 50
Tabla 14. Características de uvilla. ............................................................................ 55
Tabla 15. Deshidratación de la uvilla a 62°C (Bandeja1) .......................................... 55
Tabla 16. Deshidratación de la uvilla a 62°C (Bandeja2) .......................................... 56
Tabla 17. Deshidratación de la uvilla a 62°C y 1.5m/s .............................................. 58
Tabla 18. Evaluación de apariencia fruta fresca-deshidratada ................................... 60
Tabla 19. Condiciones de borde ................................................................................. 68
Tabla 20. Mantenimiento del equipo deshidratador ................................................... 75
Tabla 21. Instrumentos de medición utilizados en el análisis .................................... 76
Tabla 22. Costos indirectos ........................................................................................ 77
Tabla 23. Costo directo e indirecto ............................................................................ 78
ix
Índice de figuras
Figura 1. Datos relativos establecidos por el INAMHI para el 2014 ........................... 5
Figura 2. Quito temperatura máxima y mínima en grados centígrados, (°T vs t). ....... 6
Figura 3. Ilustración Radiación vs Meses .................................................................. 13
Figura 4. Condiciones de entrada y salida a través del producto en capas finas. ....... 14
Figura 5. Ilustración de los componentes de la carta psicométrica. ........................... 16
Figura 6. Calor suministrado a la fruta ...................................................................... 20
Figura 7. Uvilla etapa de madurez ............................................................................. 24
Figura 8. Comportamiento de la energía y la masa. ................................................... 26
Figura 9. Curva de secado de uvilla con una velocidad de 1 a 2 m/s a 60°C ............ 29
Figura 10. Curva de secado de uvilla con una velocidad de 1 a 2 m/s a 70°C .......... 30
Figura 11. Radiación estimada en planos inclinados ................................................. 32
Figura 12. Mejoramiento del deshidratador inclinación a 30° ................................... 33
Figura 13. Deshidratador de frutas con aire forzado, simulado en Autodesk Inventor
2016 ............................................................................................................................ 34
Figura 14. Esquema de control con flujo estable ....................................................... 37
Figura 15. Ilustración del comportamiento de la temperatura para deshidratación al
vacío. .......................................................................................................................... 51
Figura 16.-Datos obtenidos el 18/06/2016 a temperatura máxima de 18°C, velocidad
constante de 3 m/s ...................................................................................................... 52
Figura 17. Instrumentos utilizados-deshidratación de frutas ..................................... 54
Figura 18. Comportamiento de la pérdida de humedad en bandejas 1 y 2 ................ 57
Figura 19. Comportamiento de la velocidad vs contenido de humedad .................... 58
Figura 20. Comportamiento de la perdida de humedad en bandejas 1 y 2 ................ 59
Figura 21. Deshidratación de la uvilla ....................................................................... 60
x
Figura 22. Porcentajes de humedad uvilla fresca y deshidratada ............................... 61
Figura 23. Contenido de pH uvilla fresca y deshidratada .......................................... 62
Figura 24. Proceso de simulación mediante análisis de números finitos (FEA) ........ 65
Figura 25. Deshidratador solar Inventor Profesional 2016 ........................................ 66
Figura 26. Generación de Mesh en el prototipo ......................................................... 67
Figura 27. Estadística de Elementos vs Calidad del Mallado .................................... 68
Figura 28. Condiciones de borde en el deshidratador ................................................ 69
Figura 29. Convergencia de las ecuaciones (Continuity,Momentum,Energy) ANSYS
16.1 ............................................................................................................................. 69
Figura 30. Desplazamiento del aire en el prototipo ................................................... 70
Figura 31. Flujo laminar y turbulento en la cámara de deshidratado ......................... 71
Figura 32. Transferencia de calor a lo largo del sistema Tmax 65°C y Tmin 10°C .. 72
Figura 33. Transferencia de calor en la cámara de deshidratado ............................... 73
Figura 34. Distribución de la presión en el sistema ................................................... 74
xi
Índice de ecuaciones
Ecuación 1 .................................................................................................................... 8
Ecuación 2 .................................................................................................................... 8
Ecuación 3 .................................................................................................................... 9
Ecuación 4 .................................................................................................................... 9
Ecuación 5 .................................................................................................................... 9
Ecuación 6 .................................................................................................................... 9
Ecuación 7 .................................................................................................................. 10
Ecuación 8 .................................................................................................................. 10
Ecuación 9 .................................................................................................................. 10
Ecuación 10 ................................................................................................................ 11
Ecuación 11 ................................................................................................................ 11
Ecuación 12 ................................................................................................................ 11
Ecuación 13 ................................................................................................................ 11
Ecuación 14 ................................................................................................................ 18
Ecuación 15 ................................................................................................................ 18
Ecuación 16 ................................................................................................................ 20
Ecuación 17 ................................................................................................................ 21
Ecuación 18 ................................................................................................................ 21
Ecuación 19 ................................................................................................................ 21
Ecuación 20 ................................................................................................................ 22
Ecuación 21 ................................................................................................................ 22
Ecuación 22 ................................................................................................................ 22
Ecuación 23 ................................................................................................................ 22
Ecuación 24 ................................................................................................................ 37
xii
Ecuación 25 ................................................................................................................ 38
Ecuación 26 ................................................................................................................ 38
Ecuación 27 ................................................................................................................ 39
Ecuación 28 ................................................................................................................ 39
Ecuación 29 ................................................................................................................ 40
Ecuación 30 ................................................................................................................ 40
Ecuación 31 ................................................................................................................ 40
Ecuación 32 ................................................................................................................ 41
Ecuación 33 ................................................................................................................ 42
Ecuación 34 ................................................................................................................ 44
Ecuación 35 ................................................................................................................ 44
Ecuación 36 ................................................................................................................ 45
Ecuación 37 ................................................................................................................ 46
Ecuación 38 ................................................................................................................ 47
Ecuación 39 ................................................................................................................ 48
Ecuación 40 ................................................................................................................ 48
Ecuación 41 ................................................................................................................ 48
Ecuación 42 ................................................................................................................ 64
Ecuación 43 ................................................................................................................ 64
Ecuación 44 ................................................................................................................ 64
xiii
Índice de anexos
Anexo 1. Ángulo de declinación ................................................................................ 89
Anexo 2. Valores constantes para cálculo de índice de claridad. .............................. 90
Anexo 3. Valores de albedo en función del tipo de superficie reflectante ................. 91
Anexo 4. Valor de radiación solar diaria enero-diciembre ........................................ 92
Anexo 5. Tabla de propiedades del aire ..................................................................... 96
Anexo 6. Propiedad del agua saturada ....................................................................... 97
Anexo 7. Selección materia prima ............................................................................. 98
Anexo 8. Coeficiente de resistencia -contracción súbita ........................................... 99
Anexo 9. Coeficiente de resistencia-expansión súbita ............................................. 100
Anexo 10. Coeficiente de resistencia para acoples .................................................. 101
Anexo 11. Equivalencias de diámetros para tubería cuadrada y rectangular ........... 102
Anexo 12. Valores para n, entradas y salidas en ductos .......................................... 103
Anexo 13. Informe de resultados de humedad y pH en uvilla deshidrata................ 104
Anexo 14. Software ANSYS 16.1 (CD adjunto) ..................................................... 105
Anexo 15. Prototipo sin deflector inferior ............................................................... 106
Anexo 16. Valores de deshidratación con 60°C y 70°C .......................................... 107
Anexo 17. Facturas de mantenimiento e instrumentación. ...................................... 109
Anexo 18. Diagrama esquemático de las dimensiones del prototipo....................... 116
xiv
Resumen
En el presente trabajo se ilustra un estudio teórico y experimental de transferencia de
masa y energía en frutas laminadas a espesores de 3mm y en estado de madurez
recomendado por normativas que rigen en el país por el CODEX Alimentarius, a
través de cálculos específicos como la irradiación mensual, calor generado, calor útil
y generados, tiempo de secado, porcentajes de humedades relativas (%RH) y
velocidades de secado, se obtiene las curvas más representativas en fruta
deshidratada que servirán para la evaluación del prototipo. Para la obtención de los
resultados de las variables como temperatura, velocidad, peso y tiempo fue necesario
subir la eficiencia del equipo mediante el análisis y rediseño del mismo. El estudio de
la adaptación de los equipos se basó en los programas ANSYS 16.1 e Inventor 2016
y AutoCAD 2016 de Autodesk, con la finalidad de obtener una temperatura de
secado apta para la deshidratación. Los datos experimentales se compararon con
modelos matemáticos de capa delgada mostrados en la bibliografía del documento
presente dando como resultado el modelo que más se asemeja a las condiciones son
las mencionadas por Juntamay. Se presenta figuras, tablas, cálculos y simulaciones
que será de ayuda para alcanzar el objetivo de presentar el análisis y el estudio en
paneles solares y de esta manera proporcionar bases para su industrialización y ayuda
a la sociedad.
Palabras claves: Análisis, simulación, deshidratación, prototipo, energía solar,
ANSYS.
xv
Abstract
In the present research a theoretical and experimental study is presented regarding
the mass and energy transfer applied to 3 mms thickness laminated fruits in the
maturity conditions given by the regulations of the country according to the
Alimentarius CODEX, through specific calculations such as monthly irradiation,
generated heat applied, useful and generated heat applird, drying time, percentages of
relative humidity (% RH) and drying rates, the most representative curves in
dehydrated fruit are obtained and will be used for the evaluation of the prototype. In
order to obtain the results of the variables such as temperature, speed, weight and
time, it was necessary to increase the efficiency of the equipment by analyzing and
redesigning it. The study of equipment adaptation was based on ANSYS 16.1 and
Inventor 2016 and Autodesks AutoCAD 2016 programs, in order to obtain a drying
temperature suitable for dehydration. The experimental data were compared with thin
layer mathematical models shown in the bibliogrphy of the present paper resulting in
the model that most closely resembles the conditions mentioned by Juntamay. It
presents figures, tables, calculations and simulations that will help to achieve the
purpose of presenting analysis and study in solar panels and in this way, to provide
bases for their industrialization and therefore to contribute to the society.
Key words: analysis, simulations, dehydration, prototype, solar energy, ANSYS.
xvi
Glosario
Liofilización. – Método de conservación de una cosa que consiste en deshidratarla
sometiéndola a una rápida congelación y eliminado el hielo mediante un ligero
calentamiento al vacío que lo transforma en vapor.
Suspensiones. - Son mezclas heterogéneas formadas por un sólido en polvo y/o
pequeñas partículas no solubles que se dispersan en un medio líquido.
Sistema inmunológico. - Conjunto de estructuras y procesos biológicos en el interior
de un organismo que le protege contra enfermedades identificando y atacando a
agentes patógenos y cancerosos.
Lípidos. - Conjunto de moléculas orgánicas que están constituidas principalmente de
carbón e hidrogeno y en menor medida por oxígeno.
Reacción Maillard. - Conjunto de reacciones químicas producidas entre las
proteínas y azucares presentes en los alimentos cuando estos se calientan, su
coloración va de un color amarillo claro hasta el café muy oscuro incluso negro.
Heliofanía. - Representa la duración del brillo solar u horas de sol.
Radiación difusa. - Es el efecto generado cuando la radiación solar que alcanza la
superficie de la atmósfera de la tierra se dispersa de su dirección original a causa de
moléculas en la atmósfera.
Radiación directa. – Es la radiación que proviene directamente del sol, no tiene
ninguna obstrucción.
Radiación reflejada. – Es aquella reflejada por la superficie terrestre.
xvii
Albedo. - Es el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la
radiación que incide sobre la misma.
Dimmer. - Control de velocidad para motores.
CODEX. - Código de alimentación.
FEA. - Finite Element Analysis (Análisis de elementos finitos).
Método de Armstrong Page.- Es el cual permite encontrar el aporte energético
proveniente del sol sobre la superficie de la tierra, dependiendo del mes.
Presión dinámica.- Es la presión ejercida por la velocidad del aire en un conducto
NEC.- Norma Ecuatoriana de Construcción
Propiedades organolépticas.- Características físicas de los alimentos como son
olor, sabor, textura, y color.
xviii
Nomenclatura
𝑎𝜔: Disponibilidad de agua
𝑔: Gramos
𝑚𝑔: Miligramos
𝑚𝑐𝑔: Microgramos
𝑝𝐻: Potencial de hidrógeno
𝑚𝑠𝑛𝑚: Metros sobre nivel del mar
𝞭: Declinación solar
𝑊𝑠: Ángulo de ocaso
𝑁: Número de horas de sol teóricas
𝐺𝑆𝐶 : Constante solar
𝐺𝑜𝑛: Radiación solar extraterrestre
𝐻𝑂: Radiación extraterrestre diaria sobre superficie horizontal
𝐻: Radiación diaria solar promedio terrestre sobre una superficie horizontal
𝐻𝑇: Radiación solar estimada en una superficie inclinada
𝐻𝑏: Radiación solar directa horaria en una superficie horizontal
𝐻𝑑: Radiación solar difusa horaria en una superficie horizontal
𝑃𝑑: Albedo o coeficiente de reflexión del suelo
𝐾𝑇: Índice de claridad
𝑅𝑏: Factor de cambio de ángulo de inclinación en el día
xix
Ɵ: Ángulo de inclinación del prototipo con la horizontal
𝑄𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 = Caudal por metro cuadrado
𝑡𝑐 =Tiempo de deshidratado en régimen constante
𝑡𝑑 =Tiempo de deshidratado en régimen decreciente
𝑋𝑑𝑜 =Humedad en base seca inicial de la fruta
𝑋𝑑𝑐 = Humedad en base seca crítica de la fruta
𝑋𝑑𝑓 =Humedad en base seca final de la fruta
𝑋𝑤𝑓 =Humedad final
INAMHI. - Instituto nacional de meteorología e hidrología.
ONU. - Organización de las naciones unidas.
FAO. - La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la
Alimentación.
xx
Introducción
La producción de fruta en el Ecuador viene manejando un crecimiento anual debido
al consumo nacional e internacional de alimentos, principalmente por el crecimiento
poblacional que se mantiene a nivel mundial. Encontrándose el Ecuador en el puesto
número 12 como abastecedor a nivel de todos los países. Gracias a su demanda
nacional e internacional, gran parte de la cosecha que se efectúa en los campos donde
se malogra debido a la descomposición por el contenido de agua en las frutas. Es por
eso que se ha comenzado a manejar formas en las cuales se pueda extender la vida
útil de los alimentos aminorando el porcentaje de agua libre en los productos el cual
permite el crecimiento de microorganismos, el método más común es la
deshidratación a través de aire caliente efectuándose gracias al bajo costo de
implementación de equipos y el bajo consumo de energía. La fruta deshidrata en el
Ecuador ha tenido un crecimiento significativo en los últimos años a pesar que las
personas nativas no tienen una cultura en consumo de estos productos. La
conservación de las propiedades organolépticas, el crecimiento de producción y
consumo en el país se da mayoritariamente para la exportación a diferentes países
donde no cuenta con frutas en un largo tiempo ya que estos países están expuesto al
cambio de clima por sus cuatro estaciones y en el Ecuador se da debido al
crecimiento de personas extranjeras que residen en nuestro territorio. La demanda se
daba también por la caracterización de la fruta ecuatoriana ya que contiene un grado
alto de azúcar. A través de la presente investigación se realizará el estudio para
conocer el comportamiento de deshidratado por medio de recolección de energía a
través de paneles solares, las variables obtenidas del estudio como son temperaturas,
velocidades, tiempo y humedad del aire serán utilizadas para el dimensionar y
estudios de equipos industriales a futuro trabajando con energía renovable.
xxi
Descripción del problema
Antecedentes
En la actualidad la Universidad Politécnica Salesiana cuenta con un prototipo de
deshidratado de frutas y vegetales, el cual fue desarrollado debido a la necesidad de
encontrar una forma natural para el procesamiento de conservación de alimentos
agrícolas. Sin embargo, el proyecto no cuenta con un estudio y un análisis de las
condiciones para el trabajo, pues el diseño y construcción del quipo considero
variables aleatorias que no se enfocan en una metodología establecida. Por este
motivo se ha planteado la presente investigación con la finalidad de establecer las
condiciones óptimas de trabajo en el prototipo de deshidratado con energía solar.
Hoy en día el problema más común que atraviesa el Ecuador es la limitada cantidad
de estudios que contemplen el uso de energía renovable en sus equipos, generando
una inevitable dependencia a los derivados del petróleo. Por tal razón, el presente
proyecto contribuye al desarrollo de actividades comerciales con el uso de energía
renovable suprimiendo el uso desmesurado de recursos naturales y por ende el
impacto ambiental, constituyendo también un aporte a la Universidad Politécnica
Salesiana a fomentar el estudio de deshidratación de frutas utilizando energía
convencional en el área de Ingeniería Mecánica.
xxii
Alcance
El proyecto de titulación tiene el fin de desarrollar el estudio de las variables para el
proceso de deshidratado y para obtener elementos que pueden guiar de mejor manera
para obtención de un producto de calidad en los sectores donde se puede hallar una
baja deficiencia esta los siguientes mencionados:
- Estudio de las variables más relativas en la investigación como son el
tiempo de deshidratado y la humedad inicial y fina.
- Estudio de la transferencia de energía de masa y calor en el colector y
cámara de deshidratación a través de dinámica de fluidos computacional
(ANSYS 16.1)
- Elaboración de tablas y simulaciones que ayudarán a obtener una mejora
en las condiciones ambientes para deshidratado.
Delimitación
Proporcionar el estudio por medio del software de dinámica de fluidos
computacional (ANSYS 16.1) en captación de energía renovable para la utilización
en deshidratado.
Se desarrollará para las asignaturas de termodinámica y transferencia de calor en
paneles solares, los alimentos especialmente frutas serán los productos seleccionados
para el estudio en la Carrera de Ingeniería Mecánica, en la Universidad Politécnica
Salesiana ubicada en la ciudad de Quito-Ecuador.
El estudio tendrá una duración de cinco a seis meses comenzando en el marzo del
2016.
xxiii
OBJETIVO GENERAL
Analizar y simular el proceso de deshidratado de frutas utilizando un prototipo
deshidratador con energía solar.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Fundamentar teóricamente la importancia que tienen las frutas deshidratadas.
• Evaluar los parámetros del proceso de deshidratado mediante el simulador
ANSYS 16.1
• Analizar y comprobar el funcionamiento del prototipo deshidratador y sus
parámetros
• Conocer los valores nutritivos de la fruta deshidratación.
1
CAPÍTULO 1
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se describe las condiciones iniciales en las cuales va a tener base la
presente investigación de un prototipo deshidratador con energía renovable, los
parámetros que se han tomado cuenta en esta investigación están basados en
referencias bibliográficas que anteriormente han presentado sus estudios sobre
deshidratación de frutas y propiedades nutritivas con sus principales condiciones en
temperatura, velocidad y tiempo. A su vez se presentará un análisis de uso de estos
equipos para la ciudad de Quito referida a una altura de 2850 msnm, con la
normativa vigente en el Ecuador.
1.1. Normativas en el Ecuador
En la actualidad toda la normativa legar que rige en el Ecuador para manipulación y
trabajos en alimentos está regido por el CODEX Alimentarius (código alimentario)
establecido por la Organización de las Naciones Unidas (ONU) y la Organización de
las naciones unidas para la agricultura y la alimentación (FAO) siendo esta la
organización más grande internacionalmente que cuida la salud de los consumidores.
NTE INEN 2996:2015 Esta norma establece los parámetros que debe cumplir
diferentes frutas como es el caso de la uvilla, zanahoria, zapallo que han pasado por
el proceso de deshidratación, contenido también por el proceso de liofilización.
NTE INEN 2485:2009 Esta norma establece los parámetros que la uvilla debe
cumplir para el consumo en su estado envasado y fresca para la comercialización en
el país, para que se ejecute esta norma se maneja la forma, la coloración y su estado
2
de madurez sin restarle importancia a la forma de transporte y condiciones de
almacenamiento.
NTE INEN 1750 Esta norma establece el procedimiento a seguir para toma de
muestras en frutas frescas y hortalizas consideradas para pruebas en laboratorio y
manifestar su estado de aceptabilidad para su comercialización.
NEC-10 Energía renovable Esta norma establece los procedimientos a seguir para
la fabricación e instalación de todo lo referente a equipos que trabajan con un sistema
de captación solar en un rango de 0° a 100°C.
1.2. Estudios previos al análisis
Márquez y Ciro (2002) efectuaron experimentos de secado en un deshidratador por
convección forzada para la determinación de curvas de secado. Los experimentos se
realizaron para las condiciones de temperatura de 35°C, 50°C y 60°C con una
velocidad de 1,5 m/s y con una humedad relativa de 35 a 40 % para 5 kg de material
triturado y licuado. Los resultados encontrados en los experimentos fueron los
resaltados en que la mayor cantidad de transferencia de energía y masa se dan en
mora licuada, dando a conocer que el comportamiento de la curva entre humedad y
tiempo es exponencial.
Gascón (2014) deshidrató cubitos de piel de naranja en dimensiones de 16 cm2 a
condiciones de temperatura de 20,30,40,50°C en un tiempo correspondiente de 10
horas para cada temperatura, con una humedad relativa de 71,6% y la una velocidad
variable de 0,6 a 0,9m/s. Donde, el proceso previo a la deshidratación por aire fue
procesado osmóticamente ganado azúcar y perdiendo una pequeña cantidad de agua.
Suquillo y Lumiquinga (2015) diseñaron y construyeron un deshidratador con
generación de calor a través de una resistencia eléctrica de 220 V con una potencia
3
de 4KW con fines industriales para pequeñas empresas, el cual sirvió para el análisis
de la manzana chilena, el experimento se llevó acabo en la temperatura de 65°C y
una velocidad de 1.44 m/s. Los datos obtenidos para las curvas son en función de
temperatura y velocidad demostrando así que la temperatura es de alta importancia.
Néstor et al. (2012) En su publicación dan a conocer las características de las curvas
de secado con referencia el maracuyá, donde se establece que la pulpa de esta fruta
tiene un tiempo menor en la deshidratación ya que la pulpa maneja una mayor
superficie de incidencia de transferencia de masa y energía calorífica con el ambiente
permitiendo así que se produzca la perdida de agua. Manejando así las condiciones
de temperatura desde 50 a 65°C en un tiempo de deshidratación de 6 a 4 horas
respectivamente.
Juntamay (2010) evaluó los componentes nutricionales después de la deshidratación
de la uvilla a condiciones de temperatura de 60, 70, 80°C utilizando un secador de
bandejas a gas, el estudio tiene como funcionabilidad ilustrara las condiciones aptas
tanto físicas como químicas de la fruta.
Para el estudio de análisis y simulación se debe considerar la fruta o verdura que
cumpla con las condiciones del prototipo deshidratador atmosférico de bandeja
discontinua con circulación forzada de una capacidad de 0.05m3 perteneciente a la
Universidad Politécnica Salesiana las condiciones a considerarse son los parámetros
como temperatura, tiempo y humedad.
4
Tabla 1. Tabla de ponderación
TABLA DE PONDERACIÓN
FRUTA TEMPERATURA (°C) TIEMPO VELOCIDAD DE
AIRE (m/s)
EQUIPO
°T Tiempo (h) Velocidad
MORA
Licuada
35 45:00:00
1,5
65 10 7,09m/s
50 24:00:00
65 10:00:00
Triturada
35 56:00:00
50 34:00:00
65 14:00:00
NARANJA
20 10:00:00
0,6-0,9 30 10:00:00
40 10:00:00
50 10:00:00
MANZANA 62-65 4:00:00 1,3
MARACUYÁ
50 5:00:00 2,972
55 5:00:00 2,972
60 5:00:00 3,435
65 4:00:00 3,857
UVILLA 60 3:45:00
1 a 3 70 2:15:00
80 2:00:00
Nota: Estudio de frutas con condiciones de temperatura, humedad, tiempo.
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Conforme a las investigaciones se concluye que los valores numéricos referentes a la
uvilla, se establece que esta fruta es óptima para el análisis del prototipo solar, ya que
se encuentra en el rango de temperatura de 24°C a 65°C de funcionamiento del
prototipo deshidratador, y como un factor de tiempo acorde a la heliofanía en la
ciudad de Quito.
Como se conoce la tierra adopta una forma esférica, efectuando a que las caídas de
los rayos solares sean distintas en cualquier zona del planeta, no obstante, el Ecuador
a comparación de los polos recibe más energía solar gracias a su ubicación
geográfica que permite que estos sean perpendicularmente el sol con la zona
ecuatorial.
5
1.3. Incidencia del sol en el Ecuador
Las condiciones de sol y lluvia tienen un efecto nocivo para el proceso de
deshidratación, es decir, entre los meses de junio, julio, agosto y septiembre es donde
se puede aprovechar el equipo en su totalidad, como lo señala, Varea (2007) la caída
del sol se da desde las 6 de la mañana hasta las 6 de la tarde dependiendo de las
condiciones climáticas que se presenten en el día. Aunque, la heliofanía para la
ciudad de Quito en aquellos meses varia de 210 a 240 horas mensuales, como lo
menciona el INAMHI, (Véase Figura 1).
Estadística de condiciones climatológicas
Figura 1. Datos relativos establecidos por el INAMHI para el 2014
Fuente: INAMHI (2014, pág. 43)
En los estudios presentados por el INAMHI se muestra el comportamiento de
temperatura ambiental en la ciudad de Quito, es decir el grado de calor que incide en
un cuerpo, objeto o del ambiente, en un rango de 7 a 25 grados en la escala
centígrados, (Véase Figura 2).
6
Porcentaje de temperatura máxima y mínima para Quito, Ecuador.
Figura 2. Quito temperatura máxima y mínima en grados centígrados, (°T vs t).
Fuente: INAMHI (2014).
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Para el análisis se considera que la ciudad de Quito por su situación geográfica no
recibe la misma cantidad de energía solar en toda su extensión debido a que la mayor
parte de su población se encuentra cubierta por montañas, siendo la Universidad
Politécnica Salesiana-Quito la zona a considerarse para las pruebas de funcionalidad
se encuentran valores con ayuda del programa de “Surface meteorology and Solar
Energy” de la NASA estas son:
Latitud (-0.1333177885289844)
Longitud (-78.47854435443878)
Ingresando valores de latitud y longitud encontramos el valor en un promedio anual
de irradiación solar diaria de 4.25𝑘𝑊ℎ/𝑚2/𝑑, (Véase Tabla 2).
7
Tabla 2. Tabla de irradiación solar en la Universidad Politécnica Salesiana-Kennedy
Month Air Temperature Relative humidity Dayli solar radiation-horizontal
°C % kWh/m2/d
January 17,5 80,2 4,14
February 17,6 80,3 4,35
March 18 78,7 4,55
April 17,9 76,6 4,33
May 17,8 70,9 4,12
June 17,3 66,8 4,02
July 17,5 57,8 4,27
August 18,6 51,4 4,46
September 19,3 53,8 4,27
October 19,3 60,3 4,24
November 18,3 71,2 4,3
December 17,6 79,8 3,98
Annual 18 69,0% 4,25
Measured at (m) Nota: Para el estudio se considera valores producidos para cada mes.
Fuente: NASA Surface meteorology and Solar Energy: RETScreen Data
1.4. Consumo energético del prototipo solar
La principal fuente de energía que la tierra percibe es la emitida por el sol, en el cual
todo ser humano, animal y objeto aprovecha esta energía para su beneficio o
necesidad. La tierra en su atmósfera percibe el 100 por ciento de la energía que el sol
irradia equivalente a 1367 𝑊 𝑚2⁄ sin embargo, el valor que incidente es la cuarta
parte de la total, debido al movimiento rotacional de la tierra. Este valor de
incidencia promedio está divido en varios aspectos siendo el 22 % evidenciada al
espacio, 20 % es retenida por el ambiente y el 58 % topa con la superficie terrestre
(Ordoñez, 2010).
Para encontrar la radicación que incide directamente en el panel solar, se empleara el
método de Armstrong Page el cual se permite ingresar directamente con valores de
latitud y longitud del lugar a realizar pruebas el día 14 de junio del 2017 (dn=166).
8
𝛷 =Ángulo de latitud donde está instalado el prototipo (1°=60min).
216.060
13
1.4.1. Declinación solar
𝛿 = Ángulo de declinación solar dada por Cooper (1999), donde establece
una inclinación constante de 23.45° entre el eje orbital y el eje de rotación
(Véase Anexo1).
𝑑𝑛 =Número de día en el año
284
365
360sin45.23 nd Ecuación 1
o
junio 31.23
1.4.2. Ángulo de ocaso
𝑊𝑠 =Ángulo de ocaso o conocido también como ángulo horario es la
relación de desplazamiento generado por el sol con meridiano de cero o
meridiano de Greenwich como lo destaca en su obra (Huezo Bautista &
Morán Urrutia, 2012, pág. 9).
tantanarccos sW Ecuación 2
216.0tan31.23tanarccos SW
o
SW 91.89
1.4.3. Número de horas de sol teórico
Expresa las horas en las cuales en el sol está presente en el entorno.
𝑁 = Número de horas teóricas (1hora=15°) como lo destaca en su obra
(Campuzano Páez, 2010, pág. 54).
9
SWN15
2 Ecuación 3
horashN 1298.11
1.4.4. Constante solar
Es el flujo de energía solar que tiene contacto con la atmósfera con una
constante en una cantidad por metro cuadrado en un segundo.
𝐺𝑠𝑐=Constante solar
21353
m
WGSC Ecuación 4
1.4.5. Flujo de radiación extraterrestre
La cantidad de energía originado por el sol en unidades de tiempo (t) y área,
percibida por las superficies que se encuentran en forma perpendicular a los
rayos emitidos desde el sol.
𝐺𝑜𝑛 =Flujo de radiación solar extraterrestre
365
360033.01
nCOSGG SCon Ecuación 5
213.1310
m
WGon
1.4.6. Radiación extraterrestre diaria sobre una superficie horizontal
𝐻𝑂=Radiación extraterrestre diaria sobre una superficie horizontal
sinsin
180sincoscos
365
360cos033.01
360024 nGH SC
O
Ecuación 6
29045.9167
m
WhH junioO
10
1.4.7. Promedio mensual en el mes de irradiación solar diaria sobre una
superficie horizontal
rn Número de horas diarias de sol en el mes
𝑎 𝑦 𝑏 Son los coeficientes utilizados en el método de Armstrong Page como
lo destaca Coba (2013, pág. 9) para la sierra son los valores de 0.25 y 0.45
respectivamente (Véase Anexo2).
N
nba
H
H r
O
Ecuación 7
22072.3946
m
WhH junio
1.4.8. Radiación estimada del sol en superficie inclinada
El aprovechamiento de energía solar se da de mejor forma en base al cambio
de una posición completamente horizontal a una posición inclinada, dando
mejores resultados a un ángulo de inclinación de 30° referente a la latitud del
lugar.
ddbbt PHHRHH
2
cos1
2
cos1 Ecuación 8
𝐾𝑡 = Índice de claridad
O
tH
HK Ecuación 9
43.09045.9167
2072.3946tK
El índice de claridad con valor de 0.4 coincide con los valores referenciados
en Coba (2013, pág. 9), índice de claridad de 0.3 abierto o nublado a 0.8 en
ambiente soleado.
11
𝐻𝑑 = Radicación solar difusa en superficies con plano horizontal
3211.353.503.439.1 tttd KKKHH Ecuación 10
díam
WhH d
234169.1704
𝐻𝑏 = Radiación del sol directa en superficies de plano horizontal
db HHH Ecuación 11
díam
WhH b
2866.2241
𝑅𝑏 = Factor de ángulo que incide al medio día
𝛽 =Ángulo de inclinación
La mejor captación de radiación solar se efectúa al medio día es por eso que los
valores son 1cos ; 0sin debido al ángulo de azimut que forma la posición
del Ecuador con el sol en el hemisferio sur (Maldonado Nogales, 2011, pág. 3)
sinsin180
sincoscos
cossinsincoscoscossincossincossincossinsin180
'
''
s
ss
b
W
WW
R
Ecuación 12
01.1bR
𝑊𝑠′ =Ángulo de inclinación respecto a la horizontal
tantancos
tantancos1
1'
sW Ecuación 13
7796.0' SW
𝜃 =Ángulo de inclinación con respecto al eje de la abscisa, como lo destaca en su
estudio Álvarez (2012), el ángulo recomendado para mayor captación de energía
12
es de 25° a 30° como mínimo y máximo respectivamente. Para el estudio se
trabaja con el ángulo de 30°. Se reemplaza valores en la Ecuación 8 el cual ilustra
el valor de radicación solar sobre el panel solar, para la selección de valores de
albedo (Véase Anexo 3).
25.02
30cos108.3816
2
30cos192.178585.016.2036
tH
212829.3927
m
WhH t
2927.3
m
kWhH t
El valor de radiación solar diaria mostrada en la tabla 2 es el valor permisible en
el ambiente mientras que la radiación que incide en el panel solar siempre es
menor debido a las perdidas físicas y químicas que tiene con el ambiente antes de
llegar a incidir con las superficies inclinadas. A través de Microsoft Excel, se
puedo realizar la tabla de radiación estimada de sol en superficies inclinadas
dando como resultado las mostradas en la Figura 3, de tal forma que los meses
más aconsejables para practicar la deshidratación de alimentos corresponde en los
meses de junio a septiembre (Véase anexo 4).
13
Radiación mensual estimada del sol en planos inclinados
Figura 3. Ilustración Radiación vs Meses
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Esencialmente como lo destaca en el artículo de Weather Guide (2016), la lluvia
tiene una influencia mayor sobre los meses de marzo, abril y octubre sobre la ciudad
de Quito.
1.5. Proceso de transferencia de calor en frutas
Para el proceso de transferencia de calor en los alimentos existen estudios con
modelos matemáticos, donde se puede evidenciar el comportamiento de la
deshidratación en alimentos de capa fina o delgada según el caso de rodajas de uvilla
a través del comportamiento del aire al producto, la energía a transferirse y la
humedad a la entrada y salida (Véase Figura 4).
00,61,21,82,4
33,64,24,85,4
Ht
Meses
RADIACIÓN ESTIMADA DEL SOL EN SUPERFICIES INCLINADAS
14
Modelo de secado de capa delgada, representación esquemática.
Figura 4. Condiciones de entrada y salida a través del producto en capas finas.
Adaptado de: Cubillos y Mendoza (2010).
Para el estudio de rodajas de uvilla contamos con una capa de 3mm ±0.02 de espesor,
donde por acción de la convección ocurren cambios en los factores iniciales del
producto y cambio de ambiente (Chi; Tgi; T; 𝐻𝑅) en función del tiempo se produce
el proceso de evaporación del agua contenida en el producto, este proceso hace que
la cabina tenga un crecimiento de humedad relativa mayor que la del inicio (𝐻𝑅 +
∆𝐻𝑅) (Agricolas-OEA, 1978).
Existen varios tipos de modelos de secado para capa delgada propuestos a lo largo
del tiempo que se han venido presentando según las condiciones de uso y de
productos alimenticios entre ellos son (Véase Tabla3):
Tabla 3. Modelo matemático para describir el comportamiento cinético de secado.
NOMBRE ECUACIÓN
Newton kt
R eM
Page nkt
R eM
15
NOMBRE ECUACIÓN
Page modificado nkt
R eM
Henderson y Pabis kt
R eaM
Logarítmico ceaM kt
R
Thomson 21 btatM R 2lnln RR MbMat
Difusión kbtkt
R eaeaM 1
Nota: MR=relación de humedad y a, b, c, k, l, n constantes empíricas de secado. Continuación Tabla 3
Fuente: Montes et al. (2008)
Para el análisis se tomarán muestras del deshidratado de la fruta en intervalos de
tiempo que nos permita evidenciar su comportamiento de decrecimiento.
1.6. Carta psicométrica
La psicometría es la relación termodinámica entre el aire y el vapor de agua. Estas
relaciones son trascendentales en la deshidratación de alimentos donde el principal
objetivo es la reducción de líquido en los productos. (Colina Irezabal, 2010, pág. 25).
En la Figura 5 se muestra las cartas psicométricas, es una representación gráfica de
doble entrada, donde se ve resumida las condiciones más importantes que ayudará a
observar las modificaciones de las propiedades según vaya cambiando la humedad en
el aire.
16
Carta psicométrica
Figura 5. Ilustración de los componentes de la carta psicométrica.
Fuente: Díaz (2014).
Para el presente análisis se debe conocer las condiciones de clima en las que se
encuentra instalado el prototipo deshidratador es por eso que los datos principales
ingresados son a una altura de 2850 msnm en la que se sitúa la capital.
1.6.1. Características principales
- Temperatura de bulbo seco (Tbs): Es la temperatura medida al ambiente
con un termómetro de mercurio. Esta temperatura la más simple de medir. La
Tbs se encuentra representado a lo largo del eje de las abscisas en las cartas.
- Temperatura de bulbo húmedo (Tbh): Es la temperatura generada en un
termómetro envuelto en un material absorbente de agua generalmente es
algodón del cual se evapora de forma espontánea hacia la atmosfera
ocasionando una disminución en la temperatura.
17
- Temperatura de punto de rocío: Esta temperatura es medida cuando el
vapor del agua contenido en el aire empieza a condensarse produciendo
niebla o si se hallase por debajo del punto de congelación esta sería escarcha.
Se la ve representada horizontalmente en las cartas.
- Humedad relativa (∅): Es la cantidad de agua que se encuentra en el aire,
con respeto a la cantidad total que el aire puede absorber como agua en forma
de vapor. En el proceso de deshidratado de alimentos la velocidad depende de
la humedad relativa. Entonces quiere decir a menor humedad relativa (Hr)
mayor velocidad.
-Humedad absoluta (H): La humedad absoluta o también llamado
temperatura de saturación es la cantidad de peso real de vapor de agua en el
aire. Tomando en cuenta que, “La capacidad máxima de absorción del aire no
llega al 100% de humedad, sino que es menor por lo general”. (Nutsch, 2005,
pág. 216).
- Entalpía: Para las cartas psicométricas la entalpía es una prolongación de
las líneas para bulbo húmedo ya que el calor total del aire necesita de la
temperatura marcada en el bulbo húmedo.
- Volumen específico: El volumen específico se define como la diferencia
entre volumen de aire y la masa (𝑚3 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 )⁄ . Tiene representación en
las cartas psicométricas como diagonales en 60° con referencia al eje de las
abscisas, teniendo un aumento en volumen de 0.05𝑚3 𝑘𝑔⁄ .
1.7. Condiciones de clima
Para el análisis de psicometría en la deshidratación de frutas se debe considerar partir
de las condiciones de ubicación y condiciones ambientales que se encuentra el
18
prototipo deshidratador. En la cual la geográfica de la ciudad de Quito muestra una
altura de 2850 metros sobre el nivel de mar.
A partir de la altura se encuentra la presión atmosférica por medio de la Ecuación 14,
tomando en consideración que z es igual a la ubicación geográfica, altura en metros
(Aguirre Araujo & Llumiquinga Chanataxi, 2009, pág. 127).
256.5
288
0065.0288101325
zPatm
Ecuación 14
KPaPatm 44.71
En tanto que en el aire su densidad se encuentra expresada por la diferencia entre la
presión atmosférica, constante de gas ideal 0.2870𝐾𝑃𝑎 𝑚3
𝐾𝑔 °𝐾 y la temperatura de
ambiente en grados kelvin (Cengel & Ghajar, 2011, pág. 866). Para el análisis se
considera una temperatura promedio del 14.7°C en el año y con una humedad
relativa promedio de 75% (INAMHI, 2014).
aa
atma
TR
P
Ecuación 15
386.0
m
kga
Seguidamente de hallar los valores de presión, temperatura, humedad, y densidad, se
podrá identificar las demás condiciones psicométricas. A través de programa
CYTSoft Psychrometric Chart 2.2 Demo obteniendo resultados ilustrados en Tabla 4.
Tabla 4. Propiedades psicométricas del aire con temperatura del ambiente
CARACTERÍSTICAS CANTIDADES
Temperatura de aire 14,7 °C
Humedad relativa 75 %
Presión atmosférica 71,44 KPa
Densidad 0,85 Kgaireseco/m3
19
CARACTERÍSTICAS CANTIDADES
Humedad específica 0,011149 Kg agua/Kgaireseco
Entalpía 43,038 KJ/Kg
Temperatura bulbo húmedo 11,82 °C
Temperatura rocío 10,32 °C Nota: Continuación Tabla 4
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Fuente: CYTSoft Psychrometric Chart 2.2 Demo.
Previo al funcionamiento del prototipo las condiciones de temperatura son
ambientales, donde por acción de la radiación solar sobre el colector, el aire caliente
en el interior es redirigido a la cámara con una magnitud de 62°C ± 3° para la
deshidratación manejando una humedad relativa tolerante dentro de la cámara del
35% ± 3 (Véase Tabla 13). A partir de los valores de temperatura de deshidratado y
la humedad relativa se encuentran los valores psicométricos a través del programa
CYTSoft Psychrometric Chart 2.2 Demo (Véase Tabla 5).
Tabla 5. Condiciones psicométricas dentro de la cámara de deshidratado
CARACTERÍSTICAS CANTIDADES
Temperatura de aire 62 °C
Humedad relativa 35 %
Humedad específica 0.07521 Kg agua/Kg aire seco
Entalpía 258.9459 KJ/Kg
Temperatura bulbo húmedo 42.50 °C
Temperatura rocío 40.648 °C Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Fuente: Fuente: CYTSoft Psychrometric Chart 2.2 Demo.
Se presenta el análisis de balance energético para la uvilla dentro del prototipo de
deshidratación con energía solar, para ellos se ocupan las condiciones de aire a una
temperatura de 62°C (Véase Anexo 5).
20
Tabla 6. Características del aire a temperatura determinada
Características Valor Unidades
µ Viscosidad dinámica 2.008x10-5 kg/m. s
k Conductividad térmica 0,02808 W/m·K
v Viscosidad cinemática 1.896x10-5 m2/s
Pr Número de prandtl 0,7202 -
V Velocidad de flujo 3 m/s
T Temperatura 62 °C
p Densidad del aire 1.059 kg/m3 Nota: Valores seleccionados a una temperatura de 62°C
Fuente: Cengel y Ghajar (2011, pág. 884)
1.8. Calor útil
El calor útil (𝑄ú𝑡𝑖𝑙) generado tendrá incidencia sobre el fruto dentro del
deshidratador el cual se expresa por la Ecuación 16 (Véase Figura 6):
Captación de radición, convección y radiación
Figura 6. Calor suministrado a la fruta
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
ofproducto
totalútil TTCp
T
MQ
sec
Ecuación 16
El tiempo de secador (Tsec) varía dependiendo de las condiciones de entrada del
producto, condiciones internas de la cámara, peso de la fruta a deshidratar entre otras
condiciones que a través de Microsoft Excel 2016 se establece el tiempo de secado
de la fruta es igual 4 horas con 30 min.
21
A través de la convección se definirá el coeficiente de transferencia de calor,
disponiendo el número de Reynolds.
u
LV
Re Ecuación 17
Siendo:
V= Velocidad de fluido (m/s)
L= Longitud unitaria (m)
p= densidad del aire (kg/m3)
u= viscosidad dinámica (kg/ms)
34.3164Re
La rodaja de uvilla se considera como flujo laminar, es por eso que la ecuación 18 se
expresa de la siguiente manera, ya que se encuentra en las condiciones de frontera
que establece Cengel y Ghajar (2011, pág. 424), siendo esta (𝑅𝑒 < 5𝑥105 ; 𝑃𝑟 >
0.6).
33.05.0 PrRe664.0 Nu Ecuación 18
52.33Nu
A partir del valor encontrado en Nusselt se obtiene el coeficiente de transferencia de
calor por la convección.
L
kNuh
Ecuación 19
km
Wh
21.47
22
De acuerdo a la tasa de transferencia de calor se presenta el tiempo para el
deshidratado del fruto, posteriormente encontrar la variable de velocidad.
fg
bhT
h
TTAhRc SEC
Ecuación 20
Para encontrar el valor del calor latente a una temperatura indicada se debe dirigir a
la tabla de Cengel Tabla A-4 (Véase Anexo 6), encontrando el valor de 2400 kJ/kg,
ingresando con °T de la superficie del fruto que es igual a la °T de bulbo húmedo
(Véase Tabla 5), se reemplaza y se obtiene el valor numérico para la Ecuación 20.
s
kgxRc
OH251088.6
Tiempo total de deshidratado es la suma del tiempo de deshidratado de régimen
constante y tiempo de régimen decreciente.
DCT ttT Ecuación 21
El tiempo de deshidratado en el régimen constante es:
CsRc
XXt dcdoC
3600 Ecuación 22
htC 94.2
Después de comenzar el tiempo útil para para que se produzca el deshidratado
comienza el tiempo de régimen decreciente
ddf
ddcddcD
XX
XXLn
Rc
CsXXt
3600 Ecuación 23
htD 35.0
Reemplazo de valores de Dt y Ct en Ecuación 21.
23
horasTT 4
Los valores encontrados como el tiempo de secado, masa tota, temperaturas y el
calor específico de 3.52𝐾𝐽
𝐾𝑔 °𝐶 (Padilla Camuendo, 2014, pág. 11) son reemplazados
en la Ecuación 16, obtenido el valor de calor útil:
CCkg
J
s
kgQ o
oútil 7.14623520
14400
1
WQútil 56.11
1.9. Materia prima
La investigación se realizará en base a rodajas de uvilla ya que esta cumple con las
condiciones que el prototipo exige siendo así la temperatura de trabajo, la velocidad
de flujo de aire provista por el ventilador, y la cantidad de incidencia del sol sobre la
ciudad de Quito-Ecuador siendo las características más importantes.
1.9.1. Producción de la uvilla en el Ecuador
Según el diario La Hora (2011), la producción de la uvilla se da en zonas de clima
templado con una temperatura de 8 a 20 grados centígrados con una altura de 1000 a
3500 msnm, las provincias destacadas en la producción de dicha fruta se encuentran
Pichincha, Imbabura, Tungurahua, Carchi y Cotopaxi. Los países que mayor
adquisición de aquel producto establecido en porcentajes son: Holanda como primer
lugar seguido de España, Francia, porcentajes 34 %, 19 %, 14 % respectivamente y
países con menor adquisición del 33 % restante se encuentran Alemania, Canadá,
Alemania y Suiza.
24
1.9.2. Uvilla
La uvilla es una planta que tiene la particularidad semejante a las plantas como papa
y tomate quieres decir que su forma de crecimiento es en tipo arbusto, caracterizada
por ser su acidez, dando su mayor cultivo en la región de los andes ecuatorianos.
Su cultivo en grandes cantidades se debe a que es una fruta predilecta para los países
europeos por su sabor exótico (Véase Figura 7).
Planta de uvilla
Figura 7. Uvilla etapa de madurez
Fuente: (Inkanatural, 2008)
1.9.3. Propiedades nutricionales
La uvilla contiene una infinidad de vitaminas y minerales en las cuales despuntan el
contenido de vitamina C o ácido cítrico y la vitamina A, gracias a su bajo contenido
en grasas y valor calórico ésta favorece así al organismo. El elevado contenido de
dichas propiedades ha beneficiado al valor nutricional como al de prevención de
enfermedades, ya que esta fruta se la puede usar como depurativa, antioxidante,
desinfectante, y principalmente al sistema inmunológico, (Véase la Tabla 7). La
constitución en su estructura química de las diferentes frutas varía dependiendo de
los nutrientes que el suelo contenga, tiempo de siembra y la madurez que presente la
fruta para su cosecha (Mediana Villegas, 2006).
25
Tabla 7. Propiedades nutricionales de la Uvilla
Uvilla
Humedad 78,90%
Carbohidratos 16g
Ceniza 1,01g
Fibra 4090g
Grasa toral 0,16g
Proteínas 0,015g
Ácido ascórbico 43mg
Calcio 8mg
Caroteno 1,61mg
Fósforo 55,30mg
Hierro 1,3mg
Niacina 1,73mg
Rifoblavina 0,03mg Nota: Valor nutricional para 100gr de fruta
Fuente: (Martinez Vaca, 2006, pág. 16)
1.10. Materia prima
La deshidratación es el proceso en el cual se reduce la cantidad de humedad en los
alimentos, por diferentes métodos controlados con aire caliente, sin afectar sus
condiciones nutricionales y sus condiciones organolépticas, con la finalidad de
prolongar la conservación de los productos.
La construcción del equipo perteneciente a la Universidad Politécnica Salesiana tuvo
como referencia en su diseño el colector solar, determinado así que el tipo de
deshidratación de frutas sea por el método de convección como lo destaca en su obra
Castrejón (2013), la convección por aire tiene más eficiencia de trabajo en los
secadores de bandeja.
1.10.1. Deshidratación por convección o deshidratación por aire:
El proceso se realiza por convección cuando el flujo de aire caliente tiene contacto
con la superficie de las frutas, el cual retira el agua en que se encuentra en estado
libre. Tomando en cuenta que las condiciones de aire, temperatura y velocidad son
26
las principales causas para obtener productos de calidad en sabor, color y aroma. La
transferencia de energía y masa son las situaciones que se producen dentro de la
deshidratación o secado de alimentos, el aire es suministrado al producto en torno al
ambiente que lo rodea, en el cual los frutos proceden a sudar por el flujo de
temperatura y la trasferencia de masa es producida de una zona de alta concentración
a una de baja concentración. (Véase la Figura 8).
Transferencia de energía y masa.
Figura 8. Comportamiento de la energía y la masa.
Fuente: (Orrego Alzate, 2003, pág. 188)
1.10.2. Ventajas de la deshidratación
Entre los puntos fundamentales de la deshidratación esta:
- Alargar el tiempo de vida útil de los alimentos, donde se preserva el
poder frenar el crecimiento de micro organismos.
- Disminución de volumen facilitando la trasportación y el manejo en
mayores cantidades de los alimentos.
- Producción de nuevas formas de alimentación.
1.10.3. Desventajas de la deshidratación
En el proceso de deshidratación se producen dos clases de alteraciones como son: las
reacciones de oxidación de lípidos y la reacción Maillard, dichos procesos son
27
considerados como una desventaja ya que estos hacen que se produzca cambios en
las características organolépticas de los alimentos. El cuidado de estas condiciones se
puede presentar bajando velozmente la 𝑎𝜔 por bajo los 0,5 a una temperatura con
niveles mínimos de los 50°C o 55°C. (SliderShare, 2011).
1.10.4. Actividad de agua
Los investigadores de organismos vivos en los alimentos tenían en consideración que
el porcentaje de agua que contenían las frutas, verduras, carnes y derivados de
algunos de ellos, era quien dominaba el crecimiento de microorganismo,
Posteriormente se encontró que la causa del desarrollo fuese la actividad de agua
(𝑎𝜔) o también llamada agua libre. “La 𝑎𝜔 refleja el agua disponible para los micro-
organismos para su crecimiento. La mayoría de los micro-organismos crecen
óptimamente a elevados valores de 𝑎𝑤 (0,98-0,995)” (Ordoñez Pereda, y otros, 1998,
pág. 249). La 𝑎𝑤 se determina como la relación entre la presión de vapor de agua en
los alimentos y la presión de vapor de agua pura a la misma temperatura.
Entonces:
O
Wa
Dónde: 𝑎𝑤= Actividad de agua
𝑝=presión de vapor de agua de los alimentos a una temperatura
correspondiente
𝑝0= presión de vapor de agua pura a la misma temperatura.
28
En la deshidratación de alimentos contamos con características de análisis que van
ligadas a la 𝑎𝑤, esto es el pH que es un factor que ayuda al crecimiento y
reproducción de microorganismos (Véase Tabla 8).
Tabla 8. Características fisicoquímicas de uvilla
Características fisicoquímicas
Disponibilidad
de agua pH
Acides titulable
(g ác. cítrico/100g)
Sólido
soluble
(°Brix)
Azúcares
totales
(g/100g) 81,26 ± 0,19 3,74 ± 0,0003 1,26 ± 0,01 13,80 ± 1,03 12,26 ± 0,05
Capucho
(g/100g) Fruta (g/100g)
Pulpa
(g/100g)
Semilla + piel
(g/100g)
Peso de la
fruta sin
capuchón
(g)
Diámetro
(cm)
Largo
(cm)
4,32 ± 0,62 95,68 ± 0,62 78,86 ± 2,04 16,82 ± 1,61 5,32 ± 0,86 2,11 ± 0,14 1,99 ± 0,09
Nota: Característica ecotipo de exportación cosechada en Ecuador
Fuente: Centro de edafología y biología aplicada del segura (2014, págs. 136-137).
1.10.5. Curva de secado
Las curvas de secado son una manera gráfica de ilustrar cómo es el comportamiento
de la deshidratación de productos con las condiciones controladas de temperatura y
velocidad durante el ciclo, dependiendo del tipo de producto, tomando en
consideración que la mayor cantidad de energía calorífica suministrada al producto
se lo realiza por convección ya que el deshidratador es con aire forzado.
Con base en los resultados de la deshidratación de la uvilla obtenidos de Juntamay
(2010) se establecerá el análisis de funcionabilidad del equipo, los parámetros
estudiados por dicho autor obtiene la misma predilección de todas las frutas y
verduras donde existe una reducción del porcentaje de humedad en el tiempo de
deshidratación, la reducción de agua al inicio del proceso de calentamiento comienza
con la estabilización o adaptación del producto entorno al ambiente dando así a la
fase (BC) o también conocida como periodo de velocidad de secado constante donde
se produce la mayor eliminación de agua es decir “que la velocidad de secado sea
29
igual a la velocidad de evaporación del agua, que será a su vez proporcional a la
velocidad de flujo de calor que llega desde el aire al sólido” (Monzón, 2006, pág. 18)
, en la fase siguiente (CD) la velocidad tiende a disminuir, observando que la
humedad que se encuentra sobre el fruto comienza su proceso de evaporación, para
su finalización en el proceso de eliminación de agua se observa en la fase (DE) que
el fruto comienza su etapa de encogimiento y concentración de las propiedades
organolépticas. Todas las curvas están basadas en el estudio de un espesor de lámina
o también llamada capa delgada. En las figuras 9,10 y 11, se obtuvo la curva con
aire forzado por medio de un ventilador a velocidades de 1 𝑎 2 𝑚/𝑠 y a temperaturas
de (60,70, 80) °C (Véase Anexo 16) hasta llevar a la uvilla a conciliar un peso
constante. El proceso de la conservación tiene la finalidad de obtener las
características aptas para el consumo humano a través de una prueba de degustación.
Curva de secado Humedad libre vs tiempo
Figura 9. Curva de secado de uvilla con una velocidad de 1 a 2 m/s a 60°C
Fuente: Juntamay, (2010).
30
Curva de secado Humedad libre vs tiempo
Figura 10. Curva de secado de uvilla con una velocidad de 1 a 2 m/s a 70°C
Fuentes: Juntamay, (2010).
31
CAPÍTULO 2
PARÁMETROS DE FUNCIONABILIDAD
El prototipo deshidratador con energía solar por bandejas con circulación forzada o
también llamado termosifón forzado es uno de los equipos más empleados en la
conservación de alimentos debido a que se puede deshidratar tanto frutas como
verduras principalmente, ya que el prototipo deshidratador es de tipo convectivo. En
este capítulo se analizará todas las características que tiene el equipo, forma de
funcionamiento y el proceso de cómo se maneja la deshidratación en los alimentos.
2.1 Mejoramiento del equipo
La fuente de energía para el proceso de deshidratación se origina principalmente por
la recolección de energía solar donde a partir de las variables presentadas por Cuarán
y Tinillo (2013) se ilustra que la temperatura de ingreso a la cámara de
deshidratación es de un valor máximo de 45°C, donde las condiciones óptimas para
la deshidratación están marcadas en un rango de 50 a 65°C, se considera efectuar
cambios de posicionamiento de flujo de aire frio y placa colectora solar, estas
modificaciones ayudan a subir la eficiencia a un rango de 62°C ±3 para el proceso.
También la condición del equipo permite implementar el sistema de generación de
calor a través de una resistencia para que el funcionamiento del equipo sea útil en
condiciones de invierno (Véase Tabla 9).
32
Tabla 9. Mejoramiento del equipo
Observación
Descripción
Antes Mejoramiento
Inclinación 45° 30°
Ubicación ventilador Deficiente Flujo controlado de aire (dimmer)
Ubicación cámara Deficiente Captación de aire caliente
Flujo de aire controlado No existía Deflector
Sistema de control No existía Termo higrómetros
Sistema eléctrico No existía Resistencia
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Para el presente análisis a través de Microsoft Excel se observa en la Figura 11 que
existe una mayor captación modificando el ángulo de inclinación del equipo.
Captación de radiación a partir del ángulo de inclinación
Figura 11. Radiación estimada en planos inclinados
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
2,81 2,873,40 3,31
3,87 3,80 3,974,63
4,023,35 3,01 2,60
3,40 3,283,75 3,53
4,00 3,92 4,13
4,97
4,44
3,823,61
3,15
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
ener
o
feb
rero
mar
zo
abri
l
may
o
jun
io
lulio
ago
sto
sep
tie
mb
re
oct
ub
re
no
viem
bre
dic
iem
bre
HT
Meses
Radiación estimada en planos inclinados
Ht a 45° Ht a 30
33
Se reafirma que el mejoramiento del equipo se debe dar en el rediseño de la
captación de radiación solar en el panel pasando de 45° a 30° de inclinación como lo
destaca, Díaz y Barreneche (2005, pág. 369) afirmando que el posicionamiento para
mejor captación de energía solar es con sentido sur-norte en el hemisferio sur con un
desplazamiento entre 0 a 30° en sentido este u oeste y su inclinación enfocada en la
horizontal será dependiente de la latitud en la que se encuentre el equipo realizando
la adición de 10° a 15° en sectores con asoleamiento y sectores con poco
asoleamiento la inclinación se perderá siendo de 0° referente a la horizontal (Véase
Figura 12).
Deshidratador solar con aire forzado
Figura 12. Mejoramiento del deshidratador inclinación a 30°
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
2.2 Parámetros de funcionamiento
El prototipo deshidratador es un equipo que trabaja por medio de bandejas donde el
producto fresco y húmedo es ubicado en las bandejas con dimensiones delgadas y
construidas en acero inoxidable para evitar la oxidación y la contaminación de los
alimentos con sustancias nocivas para la salud.
34
Las bandejas ingresan al horno provistas de los alimentos a procesar, seguidamente
del encendido de ventilador para el movimiento del aire caliente que se encuentra
dentro del colector solar. El prototipo está localizado en la Universidad Politécnica
Salesiana, sector de Chillogallo en el sur de la ciudad de Quito, su construcción está
basada con fines de estudios de utilización de energías renovables en deshidratación
de alimentos (Véase Figura 13).
Deshidratador de frutas termosifón forzada
Figura 13. Deshidratador de frutas con aire forzado, simulado en Autodesk Inventor 2016
Fuente: (Cuarán Pantoja & Tinillo Córdova, 2013)
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
35
Tabla 10. Condiciones de diseño de la cámara de deshidratación
N Cámara de
deshidratado Características Observaciones
1 Velocidad de
ingreso a la cámara Vel= 0 a 10 m/s
La velocidad es
controlable a través de
un dimmer.
2 Caudal del aire del
ventilador Q=0.066m^3/s Salida del ventilador
3 Dimensiones
externas
600 x 350 x 500 x
e=1.1mm
Paredes con
aislamiento térmico
4 Dimensiones
internas 500 x 250 x 400 x e=0.7
Paredes con
aislamiento térmico
5 Bandejas 500 x 385 x e=0.7
Ø3mm
Acero inoxidable 304
2 Unidades perforadas
6 Chapa chimenea 80 x 80 x 150 x e=1.1 AISI 1023
7 Tapa chimenea 140 x 90 ß=135° AISI 1023
8 Ingreso de aire 80 x 80 Perforación
(reubicación)
9 Salida del aire 80 x 80 Perforación
(reubicación)
10 Fibra de vidrio 0.04 (W/(m·K))
e=2.5cm Aislante térmico
11 Resistencia eléctrica V=110v; 2000wattios Tipo serpentina
12 Termo higrómetro
digital V=1.5v
Lector de humedad y
temperatura interior y
exterior
13 Termostato V=110 v;
°T= 0 a 90°C Manual
Fuente: (Cuarán Pantoja & Tinillo Córdova, 2013)
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
36
Tabla 11. Condiciones de diseño del colector solar
N Cámara de
deshidratado Características Observaciones
1 Caja 200 x 79 x 21 x e = 0.45 Acero galvanizado
2 Vidrio 200 x 79 x e = 6mm Vidrio claro
3 Cubierta Interior 200 x 78 x e = 0.45 Acero galvanizado
4 Ventilador 140 CFM
1/30 HP
Corriente 110v
(reubicación)
5 Termómetro
bimetálico 0/150°C 2 Unidades
6 Termómetro
bimetálico 0/120°C 1 termómetro
7 Termocupla tipo J BL2.5” 2 Unidades
8 Controlador de °T DIN 1/32 2 Unidades
Fuente: (Varea Bowen, 2007)
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
2.3 Comportamiento de la velocidad en el colector
En el estudio de deshidratación a través de flujo de aire “es necesario aclarar que el
tiempo de secado es inversamente proporcional a la temperatura que se aplica al
producto y esta a su vez depende de las características de la uvilla” (Cerda
Altamirano & Proaño Madrid, 2005, pág. 77). A través de pruebas realizadas con el
prototipo deshidratador se observar que las condiciones de velocidad más favorables
están dadas en 3m/s al ingreso de la cámara como se evidencia en las Figuras 18 y 19
concordando con lo afirmado por Cerda y Proaño (2005) que la velocidad para el
proceso está en los parámetros de 1m/s a 7m/s para bandejas continuas.
La velocidad de ingreso al colector se estable con la siguiente fórmula:
37
AVQ Ecuación 24
2
3
004225.0
666.0
m
m
A
QV
s
mV 67.15 Teórico
La velocidad con la cual se trabaja en el proceso de deshidratado será con un máximo
de 13.36m/s a una temperatura de 20°C medido por el equipo anemómetro CR2032.
En el sistema de recolección de aire caliente se evidencia que la velocidad al ingreso
del aire sufre pérdidas debido al cambio de área donde esta incide, produciendo flujo
laminar y turbulento en algunas secciones del colector, dichas perdidas se encuentras
localizadas en los cambios dentro del sistema existiendo los coeficientes de
expansión súbita, la expansión gradual y la contracción súbita las variables más
concurrentes.
Estos coeficientes son valores tabulados que se los podrá encontrar en los anexos 8,
9, 10, los coeficientes de resistencia son directamente proporcionales a los diámetros
equivalentes de tubería rectangular y cuadrada mostrados en el Anexo 11, el uso de
las tablas se da por el diseño rectangular en la recolección y cuadrada en las entradas
y salidas del aire Véase Figura 14).
Diagrama de variables representativo.
Figura 14. Esquema de control con flujo estable
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
38
Como lo mencionado anteriormente las áreas en los puntos 1, 2, 3 se verán expuestos
a continuación con su debido diámetro equivalente (Véase Anexo 11):
22
1 004225.05.65.6 mcmA
cmeq 1.71
22
2 086.0108.78 mcmA
cmeq 3.272
22
3 008.0810 mcmA
cmeq 7.93
Las pérdidas menores están establecidas a través de la siguiente fórmula donde k es
el coeficiente de resistencia (Véase Anexo 9), en este punto está en posición de
expansión la velocidad en el punto 1, su valor es ingresado por pruebas de
funcionamiento previamente realizadas, siendo así de 4 m/s al ingreso del colector.
g
VkhL
2
2
1 Ecuación 25
2
2
8.92
1678.0
s
m
s
m
hL
63.0Lh
Ocupando la fórmula de caída de presión se establece que:
LhgP Ecuación 26
Donde:
39
Densidad del aire a CO7.14
g Gravedad
Lh Pérdida menor al ingreso del aire
ms
m
m
kgP 63.081.985.0
23
kpaP 00524.0
Halla la caída de presión en el punto 1 se puede encontrar la presión dinámica, con la
siguiente fórmula
dPnP Ecuación 27
Los valores para n se los puede hallar en el Anexo 11 siendo este de 0.7:
7.0
00524.0 KPaPd
KPaPd 007.0
Con los valores encontrados anteriormente se hallan la presión absoluta en el punto
1:
PdPP atmabs Ecuación 28
KPaPabs 44.711
Como lo menciona en su obra Mott (2006), en los sistemas de flujo estable la
velocidad en las diferentes partes de un sistema cerrado no es dependiente de la
presión y la altura en la que se encuentra el colector es por eso que la velocidad en el
punto 2 se encuentra con la siguiente formula del principio de continuidad:
40
21 mm Ecuación 29
2211 VelAVelA
2
11
2A
VAVel
2
2
086.0
4004225.0
m
s
mm
s
mVel 19.02
Con la velocidad en los puntos 1 y 2 se puede proceder a encontrar el caudal:
nn VelAQ Ecuación 30
111 VelAQ
222 VelAQ
s
m
s
mmQ
32
1 169.04004225.0
s
m
s
mmQ
32
2 01634.019.0086.0
Con los valores del caudal se obtiene los flujos másicos en el punto 1 y 2:
Qm
Ecuación 31
Los valores de flujo másicos se establecen a través de las temperaturas tanto en el
ingreso del colector a 14.7°C y a 60°C en el punto 2 del sistema es así que se tiene:
s
m
m
kgm
3
31
169.085.0
41
s
kgm 14365.01
s
m
m
kgm
3
32
01634.074.0
s
kgm 12.02
Se procede a analizar la presión en el punto 2 con la ecuación de Bernoulli ya que el
colector se encuentra con una inclinación de 30°C con referencia al piso, y la altura
de 1metro en el punto 1 (z1).
Donde:
P=Presión
V=Velocidad
𝛾 =Peso específico
𝛿 =Densidad del aire
𝑎 = Aceleración
Para la obtención del peso específico se establece que:
a Ecuación 32
238.974.0
s
m
m
kg
3252.9
m
N
42
g
Vz
P
g
Vz
P
22
2
2
2
2
2
1
1
1
Ecuación 33
g
VVzzPP
2
2
2
2
1
2112
2
22
32
81.92
19.04
0225.7497.71
s
m
s
m
s
m
mmm
NKPaP
KPaP 45.712
En los valores correspondientes al punto tres se puede evidencia que hay una pérdida
de energía ya que está pasando de una sección pequeña a una sección grande
conocida como contracción súbita, utilizando la Ecuación 24 se obtiene:
2
2
8.92
19.044.0
s
m
s
m
hL
mehL
410.8
mes
m
m
kgP 4
2310.881.974.0
KPaP 6108.5
7.0
108.5 6 KPaPd
KPaPd 0083.0
43
Con los valores anteriormente mostrados se obtiene la presión absoluta en el punto 3
para de ahí encontrar la velocidad con la ecuación de Bernoulli a la salida del
colector en el punto 3.
PdPP atmabs 2
KPaP abs 448.712
g
Vz
P
g
Vz
P
22
2
3
3
3
2
2
2
2
32
322
2
2
3 2 zzPP
gVV
mm
s
KPa
KPa
s
m
s
mV 10
007.0
44.7145.718.9219.0
2
2
2
2
3
2
22
3 43.8s
mV
s
mV 95.23
El valor de la velocidad 3 es con la cual ingresará a la cámara de deshidratación para
el proceso sobre la fruta a deshidrata.
2.1 Variables de funcionamiento del colector solar en vacío
Las pruebas se realizaron con una temperatura máxima y mínima ambiente de 18° C
y 9°C respectivamente, (Véase Tabla 13). Existe una estabilidad en los horarios a
partir de las 13:00 de la tarde a un promedio de funcionamiento del equipo a una
44
temperatura de 62°C con a una velocidad máxima de flujo de aire de provista por el
ventilador de 3m/s ±0.2 con temperatura de 20°C respectivamente.
2.2 Temperatura teórica generada por el colector
A partir del valor de radicación estimada del sol en superficies inclinadas mostrada
en la Ecuación 8 se procede a encontrar la temperatura teórica generada por el
colector tomando en cuenta la heliofanía mensual.
VelAQ c sec Ecuación 34
Donde:
Q= Caudal
A=área de ingreso del aire al colector
Vel= velocidad de ingreso al colector
s
mmQ 30064.0 2
sec
s
mQ
3
sec 0192.0
h
mQ
3
sec 12.69
La superficie del colector se encuentra en las dimensiones de área igual a 1.58 𝑚2
por lo que el caudal por metros cuadrado tiene la magnitud de:
𝑄𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 = Caudal por metro cuadrado
incidenteerficiedeÁrea
erficie .sup..
sec
sup Ecuación 35
45
2
3
sup 29.43mh
mQ erficie
Para hallar la temperatura de salida del colector se considera la radiación solar que
incide en planos inclinados divido para las horas de heliofanía de 8 horas a partir de
las 8 de la mañana hasta las 4 pm donde se tiene una incidencia de energía solar
razonable obteniendo como resultado la siguiente expresión:
horas
m
Wh
Ht8
12.39272
2)( 89.490m
WHt horas
La temperatura de salida del colector teórica desarrolla a partir de la relación de la
radiación solar expresada en horas divida para la densidad del fluido (aire), caudal de
la superficie y calor especifico del sistema.
CpQ
HtTT
h
ambscol
sup
)( Ecuación 36
Ckg
J
mh
m
m
kg
h
s
m
W
CT
O
O
scol
100729.4385.0
360089.490
7.14
2
3
3
2
CTscol 63
Donde:
ɗ =Densidad del fluido
𝑄𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 = Caudal por unidad de superficie del colector
𝐶𝑝 = Calor específico
46
𝑇𝑎𝑚𝑏 = Temperatura ambiente
2.3 Obtención de calor a través del colector
A través de la temperatura teórica que el colector puede generar (Véase Ecuación 36)
y la temperatura práctica (Véase Tabla 12) se presenta la obtención de calor total que
el colector genera para el proceso de deshidratación.
Tabla 12. Tabla propiedades del colector solar
Propiedades del colector solar
Fr= Factor de remoción 0,0114 adim
Ac= Área neta de colección 1,44 m2
Ϯ=Transmitancía de la cubierta 0,9 adim
α=Absortancia del colector 0,9 adim
I=Irradiación total disponible 1109,7 w/m2
UI=Coeficiente de pérdida totales 17,6 w/m2.°K
Ti=Temperatura de ingreso(20°C) 293,15 °K
Ta=Temperatura ambiente(14,7°C) 287,85 °K
Fuente: (Varea Bowen, 2007, pág. 51)
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
En orden de la idea anteriormente se presenta la siguiente fórmula para la obtención
del calor generado por el colector:
TaTiUIIAcFrQu colector Ecuación 37
WQu colector 22.13
El parámetro de calor generado por el colector servirá para analizar la cantidad de
fruta que debe ingresar a la cámara de deshidratado sumando la cantidad de calor
perdida en las paredes de la cámara y la irreversibilidad, el cual debe cumplir la
condición:
47
colectorirreverparedesfruta QuQQQu
2.4 Pérdida de calor a través de las paredes
Para analizar la pérdida de calor por las paredes planas se procede a trabajar por el
sistema de conducción, donde el coeficiente global de transferencia de calor será
igual 𝑈 = 1.30 ∗ 10−2 𝑊
𝑚2°𝐾 (Cuarán Pantoja & Tinillo Córdova, 2013, pág. 90).
Donde:
𝑄𝑝 = Calor perdido
𝑈 = Coeficiente global de transferencia de calor
𝛥𝑇 = Variación de temperatura
TAUQ p Ecuación 38
La pérdida de calor a través de las paredes se verá refleja por la suma de los valores
de las seis caras que tiene la cámara de deshidratado, tomando en consideración que
la variación de temperatura será igual a:
KKT 3.4785.28715.335
Donde:
2125.025.05.01 mÁrea
2075.025.03.02 mÁrea
2150.03.05.03 mÁrea
Calor perdido en paredes:
WKmKm
WQp 152.02076.03.47125.01030.1 2
2
2
1
48
WKmKm
WQp 09.02046.03.47075.01030.1 2
2
2
2
WKmKm
WQp 18.02092.03.4715.01030.1 2
2
2
3
WQp 422.0
2.5 Irreversibilidad
La irreversibilidad está considerada en todos los procesos termodinámicos que sean
de orden naturales sin lograr regresar a su estado natural después de un intervalo de
tiempo.
alrededorsistema ssmIrrev Ecuación 39
Donde:
sistema
sistemaT
Qs Ecuación 40
Los valores para el calor especifico del aire se obtendrá del Anexo 5, el flujo másico
con el que se trabajará es igual a �̇� = 0.012 𝐾𝑔/𝑠
1
3
1
3
P
PLnR
T
TLnCps Ecuación 41
KPa
KPaLn
Kkg
KJLn
Kkg
KJs
44.71
7228.0
85.287
15.335007.1
Kkg
KJs
15.0
Kkg
KJ
s
kgIrrev 15.0052.0
K
WIrrev
0078.0
49
Reemplazamos valores en nn VelAQ :
KKkg
KJQirrev
85.28715.33515.0
WQirrev 36.0
La suma de la pérdida de calor en las paredes, más el calor útil hacia la fruta y la
suma de irreversibilidad deben cumplir con la condición de ser menor al calor
generado por el colector (Véase Ecuación 26).
WWWW 22.1336.04264.056.11
Mediante el análisis se llega a la conclusión que el calor generado por el colector es
útil para trabajar con 1Kg de fruta fresca.
50
CAPÍTULO 3
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el presente capítulo se indica los valores de las variables con las cuales el
prototipo deshidratador comenzará a trabajar, estas variables se presentan en un
ambiente en las cuales la maquina funcionará con carga y sin carga de producto para
su posterior análisis, también se muestra las frutas en el proceso de deshidratación,
las gráficas realizadas son de importancia para el estudio y análisis. Al ser un
prototipo de pruebas los datos encontrados servirán para un fundamento a proyectos
con mayor incidencia en la industria de deshidratado de alimentos.
3.1 Resultados sin carga
El comportamiento de temperatura tienden a aumentar a medida que las horas
trascurren en el día. Es decir los rayos del sol van tomando más incidencia con el
colector solar a medida que se produce la rotación y traslación la tierra con el sol
(Véase Tabla 13).
Tabla 13. Valores de temperatura sin carga
Hora °T colector
Termómetro
flujo de aire
ventilador
Termómetro
flujo de aire
colector
Termómetro
digital Entrada
a la cámara
Termómetro
digital
Cámara
Salida de
aire
caliente
8:45 50 45 46 49 37 35
9:20 58 56 55 59 45 45
9:50 58 55 56 63 50 44
10:30 62 59 6 67 55 47
11:00 64 61 65 69 59 47
11:30 58 55 55 61 54 45
12:00 58 52 54 58 55 43
12:30 63 55 58 65 37 37
13:00 48 41 41 48 26 24
13:30 61 54 56 64 30 31
14:00 63 55 58 65 37 37
14:30 64 55 57 64 43 34
51
Hora °T colector
Termómetro
flujo de aire
ventilador
Termómetro
flujo de aire
colector
Termómetro
digital Entrada
a la cámara
Termómetro
digital
Cámara
Salida de
aire
caliente
15:00 65 70 62 65 60 49
15:15 62 68 58 66 59 47
15:30 62 66 60 62 56 47
Promedio 60 56 52 62 47 41
Nota: Datos obtenidos el 18/06/2016 a temperatura máxima de 18°C, velocidad constante de 3m/s.
Continuación Tabla 13.
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Según se observa en la Figura 15, existe una estabilidad en la temperatura de la placa
posterior del colector que vas desde 48° a 65°C, proporcionando un lineamiento con
la temperatura de ingreso a la cámara de deshidratación.
Comportamiento de la temperatura en el deshidratador
Figura 15. Ilustración del comportamiento de la temperatura para deshidratación al vacío.
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
La incorporación al equipo de un regulador de velocidad (dimmer) en el ventilador
permite controlar de mejor manera el flujo de aire dentro del colector donde el
50
58 5862 64
58 5863
48
61 63 64 6562 62
60
45
56 5559 61
5552
55
41
54 55 55
70 68 66
56
46
55 56
64 65
55 5458
41
56 58 5762
58 6056
49
5963
67 69
6158
65
48
64 65 64 65 6662 62
37
4550
5559
54 55
37
2630
37
43
60 5956
47
35
45 4447 47 45 43
37
24
31
3734
49 47 47
41
0
10
20
30
40
50
60
70
80
8:4
5
9:2
0
9:5
0
10
:30
11
:00
11
:30
12
:00
12
:30
13
:00
13
:30
14
:00
14
:30
15
:00
15
:15
15
:30
Pro
m
Gra
do
s d
e te
mp
erat
uta
°C
Horas°T colector Termómetro flujo de aire ventilador
Termómetro flujo de aire colector Termómetro digital Entrada a la cámara
Termómetro digital Cámara Salida de aire caliente
52
movimiento del aire se efectúa por debajo de la placa colectora, el valor
proporcionado a la salida del ventilador es correspondiente a una velocidad promedio
de 13.36 m/s y a temperatura de 20°C lectura del anemómetro digital CR2032. Se
observa reflejado la mejora de la variable temperatura en el colector, el cual se da por
el nuevo posicionamiento de la termocupla en la parte media del equipo sin que este
tenga incidencia con la placa colectora de metal manejando una temperatura
promedio de 60°C.
3.2 Variables de funcionamiento de la cámara
La caída de la cantidad de vapor en el aire dentro del deshidratador depende
directamente del incremento de la temperatura ambiente incidente en el colector solar
en el transcurso del día. Pruebas realizadas en 18/06/2016 obteniendo un promedio
de temperatura ambiente de 18°C, (Véase Figura 16).
Valores de temperatura dentro y fuera de la cámara de deshidratación
Figura 16.-Datos obtenidos el 18/06/2016 a temperatura máxima de 18°C, velocidad constante de 3 m/s
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
19,2 21,2 22,5 23,8 22,2 23,8 22,2 23,719,5 21,8 23,7
20,1
27,1 24,9 24,7
38
47,7 50,254,4
57,4
50,2 51,2
41,3
26,8
34,1
41,3 43,4
56,2 53,9 52,545 44
3835
3935 37
42
55
4742 44
3740 40
0
10
20
30
40
50
60
0
10
20
30
40
50
60
70
8:45 9:20 9:50 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:15 15:30
Hu
med
ad r
elat
iva
%
Tem
per
atu
ra °
C
Horas en el día
Cámara de deshidratación
Fuera Dentro RH
53
3.3 Procedimiento
Para el procedimiento de deshidratación se debe considerar las siguientes
instrucciones (Véase Tabla 14)
- Equipo
1. Selección de bandejas para toma de datos
2. Pesar las bandejas sin carga
3. Pesar bandejas con la fruta seleccionada para el proceso, obteniendo
la masa inicial húmeda.
4. Iniciado el proceso de deshidratación se tomará los datos del peso de
la bandeja en los tramos de 15 minutos completando el tiempo de 4
horas. La deshidratación tendrá su finalización cuando haya cumplido
el tiempo encontrado teóricamente.
- Fruta
1. Selección de la materia prima (Véase Anexo 7).
2. Corte de la fruta en espesor de 3mm.
3. Distribución en bandejas uniformemente
3.4 Pruebas de deshidratación de uvilla
Instrumentación utilizada (Véase Figura 17):
- Balanza camry
- Termómetros
- Termómetro-anemómetro
- Termo-higrómetro (0-100%HR)
54
Equipos de medición
Figura 17. Instrumentos utilizados-deshidratación de frutas
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
Datos iniciales
Las pruebas fueron desarrolladas con las siguientes restricciones:
- Inicio de pruebas: 10:40am
- Temperatura ambiente: 15.8°C
- Humedad al ambiente: 75%
Datos etapa calentamiento
- Tiempo de calentamiento del aire: 10min
- Tiempo de estabilización del aire: 10min
- Temperatura de estabilización colector: 45° a 62°C
- Temperatura de ingreso a la cama: 62°C ± 3°
- Temperatura para proceso: 47°C ± 3°
- Velocidad de ingreso a la cámara: 3m/s
55
Curva de secado
Tabla 14. Características de uvilla.
Fruta Uvilla
Masa inicial b1 548 gramos
b2 451 gramos
Humedad inicial (%bh) 82,31 %
Humedad inicial (bs) 4,65 Kg agua/kg masa
seca
Espesor del producto 3 mm
Área de secado 0,1925 m2
Masa total secado b1 96,9412 gramos
b2 79,7819 gramos Nota: Datos recogidos el 22/06/2016
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
3.5 Deshidratación a 62°C a 3m/s
Con los valores obtenidos se procede a la elaboración de curva de secado, humedad
vs tiempo para las dos bandejas, en las cuales se evidencia una mayor pérdida de
humedad en la bandeja número 1 ya que esta cuenta con mayor incidencia con el
ingreso de aire caliente en el proceso de la deshidratación. A la temperatura
promedio de 62°C (Véase Tabla 15, Tabla 16) el tiempo de deshidratación fue de 4
horas con 30 min.
Tabla 15. Deshidratación de la uvilla a 62°C (Bandeja1)
ítem Tiempo Tiempo
(min)
Masa
bandeja 1
(gr)
Humedad 1
Xi(bs)
Kg agua/kg
masa seca
Xi (bs)
media 1 Velocidad
de secado 1
1 11:00 0 548 4,65 3,73 7,52 2 11:15 15 370 2,82 2,67 5,38 3 11:30 30 342 2,53 2,34 4,72 4 11:45 45 306 2,16 2,05 4,14 5 12:00 60 286 1,95 1,82 3,66 6 12:15 75 260 1,68 1,55 3,13 7 12:30 90 235 1,42 1,30 2,62 8 12:45 105 211 1,18 1,06 2,13 9 13:00 120 188 0,94 0,85 1,71 10 13:15 135 170 0,75 0,68 1,37
56
ítem Tiempo Tiempo
(min)
Masa
bandeja 1
(gr)
Humedad 1
Xi(bs)
Kg agua/kg
masa seca
Xi (bs)
media 1 Velocidad
de secado 1
11 13:30 150 156 0,61 0,54 1,08
12 13:45 165 142 0,46 0,36 0,73 13 14:00 180 122 0,26 0,22 0,45 14 14:15 195 115 0,19 0,15 0,30 15 14:30 210 108 0,11 0,10 0,20 16 14:45 225 105 0,08 0,07 0,14 17 15:00 240 102 0,05 0,04 0,08 18 15:15 255 100 0,03 0,02 0,04 19 15:30 270 98 0,01 0,01 0,01
Nota: Datos recogidos el 23/06/2016, velocidad de ingreso a la cámara 3m/s, continuación Tabla 15
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Tabla 16. Deshidratación de la uvilla a 62°C (Bandeja2)
ítem Tiempo Tiempo
(min)
Masa
bandeja 2
(gr)
Humedad 2
Xi(bs)
Kg agua/kg
masa seca
Xi (bs)
media 2 Velocidad
de secado 2
1 11:00 0 451 4,65 4,08 6,77 2 11:15 15 360 3,51 3,41 5,65 3 11:30 30 343 3,30 3,17 5,26 4 11:45 45 323 3,05 2,96 4,91 5 12:00 60 309 2,87 2,75 4,57 6 12:15 75 290 2,63 2,52 4,17 7 12:30 90 271 2,40 2,27 3,76 8 12:45 105 250 2,13 2,00 3,31 9 13:00 120 228 1,86 1,74 2,88
10 13:15 135 209 1,62 1,51 2,50 11 13:30 150 191 1,39 1,29 2,13 12 13:45 165 174 1,18 0,98 1,63 13 14:00 180 142 0,78 0,70 1,16 14 14:15 195 129 0,62 0,54 0,89 15 14:30 210 116 0,45 0,41 0,68 16 14:45 225 109 0,37 0,32 0,53 17 15:00 240 102 0,28 0,25 0,42 18 15:15 255 98 0,23 0,20 0,34 19 15:30 270 94 0,18 0,09 0,15
Nota: Datos recogidos el 23/06/2016, velocidad de ingreso a la cámara 3m/s.
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Con el proceso de deshidratación el punto más importante es la pérdida de un
porcentaje de agua para evitar proliferación de microrganismos, es decir en la curva
57
es el comportamiento de caída teniendo una tendencia a cero en el eje de las X
(Véase Figura 18).
Diagrama humedad vs tiempo
Figura 18. Comportamiento de la pérdida de humedad en bandejas 1 y 2
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Según se observa en la Figura 19, se evidencia el comportamiento de velocidad vs el
contenido de humedad siendo este de 4.65 Kg agua/kg en su etapa inicial donde la
superficie alcanza la temperatura que se encuentra en la cámara, seguidamente de
etapa de decrecimiento donde se produce el movimiento del líquido de la parte
interna de la fruta hacia la parte exterior donde se produce la evaporación acción que
controla la tasa de deshidratado.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
0 50 100 150 200 250 300
Hu
med
ad (
Kga
gua/
Kgu
villa
sec
a)
Tiempo (min)
Perdida de humedad vs tiempo
Humedad 1Xi(bs)Kg agua/kg masa seca
Humedad 2Xi(bs)Kg agua/kg masa seca
58
Diagrama velocidad vs Humedad
Figura 19. Comportamiento de la velocidad vs contenido de humedad
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
3.6 Deshidratación a 62°C a 1.5m/s
En este proceso de deshidratación, las variables se mantienen regulares como son
temperaturas y peso de la uvilla en las bandejas, la variable a cambiar es la velocidad
para analizar las condiciones más favorables y que se apeguen a las mostradas por
Juntamay (Véase Tabla 17), el comportamiento se evidencia que no existe gran
pérdida de agua libre (Véase Figura 20).
Tabla 17. Deshidratación de la uvilla a 62°C y 1.5m/s
Ítem Tiempo Tiempo
(min)
Masa
bandeja
1
(gr)
Humedad
1
Xi(bs)
Kg
agua/kg
masa seca
Xi
(bs)
media
1
Velocidad
de secado
1
Masa
bandeja
2
(gr)
Humedad
2
Xi(bs)
Kg
agua/kg
masa seca
Xi
(bs)
media
2
Velocidad
de secado
2
1 11:30 0 548 4,65 4,14 8,33 451 4,65 4,36 7,24
2 11:45 15 448 3,62 3,51 7,08 405 4,08 4,00 6,63
3 12:00 30 427 3,40 3,22 6,49 393 3,93 3,81 6,32
4 12:15 45 392 3,04 2,90 5,85 375 3,70 3,60 5,96
5 12:30 60 364,5 2,76 2,62 5,27 358,5 3,49 3,39 5,62
6 12:45 75 337 2,48 2,32 4,68 342 3,29 3,17 5,26
7 13:00 90 307,5 2,17 2,02 4,07 324 3,06 2,95 4,89
8 13:15 105 278 1,87 1,80 3,62 306 2,84 2,78 4,61
9 13:30 120 264 1,72 1,65 3,33 297 2,72 2,67 4,42
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
Vel
oci
dad
de
seca
do
(K
g/m
^2 *
seg
)
Contenido de humedad
Velocidad de secado vs Contenido de humedad
Velocidad de secado 1 Velocidad de secado 2
59
Ítem Tiempo Tiempo
(min)
Masa
bandeja
1
(gr)
Humedad
1
Xi(bs)
Kg
agua/kg
masa seca
Xi
(bs)
media
1
Velocidad
de secado
1
Masa
bandeja
2
(gr)
Humedad
2
Xi(bs)
Kg
agua/kg
masa seca
Xi
(bs)
media
2
Velocidad
de secado
2
10 13:45 135 250 1,58 1,56 3,14 288 2,61 2,58 4,28
11 14:00 150 246 1,54 1,52 3,06 283,5 2,55 2,53 4,19
12 14:15 165 242 1,50 1,41 2,84 279 2,50 2,42 4,01
13 14:30 180 225 1,32 1,23 2,48 267 2,35 2,27 3,77
14 14:45 195 208 1,15 1,11 2,23 255 2,20 2,14 3,55
15 15:00 210 200,5 1,07 1,03 2,07 246,5 2,09 2,04 3,38
16 15:15 225 193 0,99 0,90 1,81 238 1,98 1,84 3,05
17 15:30 240 175,5 0,81 0,72 1,45 215 1,69 1,55 2,57
18 15:45 255 158 0,63 0,31 0,63 192 1,41 0,70 1,17
Nota: Datos recogidos el 25/06/2016, velocidad de ingreso a la cámara 1.5m/s, continuación Tabla 17
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Diagrama de humedad vs tiempo
Figura 20. Comportamiento de la perdida de humedad en bandejas 1 y 2
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Las curvas de deshidratación de la uvilla tienen una coincidencia con las mostradas
por Juntamay (2010) es decir coinciden con los modelos característicos en
deshidratación de frutas (pág. 69).
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
0 50 100 150 200 250 300
Hu
med
ad (
Kga
gua/
Kgu
villa
sec
a)
Tiempo (min)
Pérdida de humedad vs tiempo
Humedad 1Xi(bs)Kg agua/kg masa seca
Humedad 2Xi(bs)Kg agua/kg masa seca
60
3.7 Evaluación sensorial
A partir del proceso de deshidratación con la uvilla se procede a realizar una
evaluación sensorial referente con los sentidos como son estos: olfato, vista, gusto
para realizar un control de producto deshidratado. Como se observa en la Tabla 18
los aspectos más apreciables que se produce con la deshidratación es la intensidad de
sabor ya que la eliminación de agua produce una aglomeración de componentes, en
tanto con la captación del aroma se intensifica desde el inicio del proceso (Véase
Figura 21).
Tabla 18. Evaluación de apariencia fruta fresca-deshidratada
Apariencia Fresca Deshidratada
Color Amarillo Naranja
Olor Frutal Caramelo
Sabor Dulce Ácido Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Proceso final de deshidratación de la uvilla.
Figura 21. Deshidratación de la uvilla
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
3.8 Evaluación de la humedad
En la Figura 22, se presentan los resultados obtenidos de las muestras seleccionadas
para el análisis de humedad a través del método MAL-13/AOAC 925.10, perdiendo
61
en un estimado del 70% de agua que se encontraba en la fruta en esta libre y que por
el proceso de convección con aire forzado esta va evaporándose en un tiempo
estimado, (Véase Anexo 13). El porcentaje presentado por el prototipo se encuentra
dentro de los parámetros aptos para el consumo ya que por ser un sistema
dependiente del sol la deshidratación es variable en su temperatura utilizada para el
proceso.
Contenido de humedad (%)
Figura 22. Porcentajes de humedad uvilla fresca y deshidratada
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
3.9 Evaluación del pH
En la Figura 23, se establecen el contenido de pH en la uvilla fresca y deshidratada
correspondiente a la fruta deshidrata su pH se encuentra en un 3.85 esto quiere decir
que su grado de acidez aumento con el proceso, manteniendo así un estado en el cual
los microorganismos no puede crecer ni reproducirse contrariamente a los que
mantiene pH mayores a 5 (Véase Anexo 13).
82,31%
16,61%12,36%
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
1
Uvilla Fresca Uvilla Deshidratada Prototipo Uvilla deshidratada Juntamay
62
Contenido de pH
Figura 23. Contenido de pH uvilla fresca y deshidratada
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
3.10 Desarrollo de la simulación
Hoy en día las grandes industrias se han visto en la necesidad de poder crear nuevas
y mejores formas de optimización en los campos de diseño y construcción, es por eso
que la ingeniería se ha visto en la necesidad de implementar sistemas de mejora a
través del análisis de elementos finitos (FEA), siendo el FEA el método que permite
resolver a través de las ecuaciones diferenciales en donde está basada en la relación
de una función con su respectiva derivada. La finalidad de ejecutar dichos programas
es para obtener mejores tiempos de producción y mejorar el análisis con el
funcionamiento del equipo.
ANSYS 16.1 es un programa que se basa en la utilización para el desarrollo de
tecnología, proyectos a pequeña y gran escala, su tecnología es aplicada a los
sectores tales como sector automotriz, sector aeroespacial, sector electrónico en
todos sus campos, y en el sector de fluidos tanto como gaseosos y líquidos entre
otros, a una baja tasa de inversión se halla conceptos claros y concisos para todas las
3,55
3,6
3,65
3,7
3,75
3,8
3,85
3,9
3,95
4
1
Uvilla Fresca Uvilla Deshidratada Prototipo Uvilla deshidratada Juntamay
63
ramas, ANSYS tiene su desarrollo en la resolución de ecuaciones principalmente
como son continuidad, masa-energía, momento, entre otras.
La comunicación para la utilización de la interface en ANSYS se explica a
continuación:
- Inicio (Geometry): Se establece el estudio al cual estará sometido el
proyecto, el modelado se lo puede realizar tanto en el interface de
ANSYS como también se puede realizar la exportación desde cualquier
programa de diseño CAD.
- Mallado (Mesh): Establecer la malla más acorde al estudio que se va a
realizar, revisión de generación del mallado en toda la superficie del
equipo.
- Definición de parámetros (Setup): Ingreso de variables al sistema como
pueden ser velocidades, temperatura, presiones, densidades, viscosidades
entre otras.
- Resolución de ecuaciones (Solution): Se controla la convergencia en las
ecuaciones que maneja el software, en un número de iteraciones
determinado por la resolución.
- Discretización (Result): Exposición de resultados y simulación de los
elementos.
Entre las principales ecuaciones para la visualización del comportamiento del aire se
encuentra la ecuación de momento-masa y la ecuación de Navier-Stokes.
La conservación de momento está establecida por la ecuación que se presenta a
continuación (Carrillo Sanchez & Castillo Elsitdié, 2011, pág. 33):
64
Fpgpuvpvpt
Ecuación 42
La conservación de masa está establecida por la ecuación que se presenta a
continuación (Carrillo Sanchez & Castillo Elsitdié, 2011, pág. 33):
0
vp
t
p Ecuación 43
Donde:
p Densidad
v Velocidad del fluido
p Presión estática
Tensor de esfuerzo
pg Fuerza gravitatoria
F Fuerza externa
La ecuación de Navier-Stokes está definida por un conjunto de ecuaciones que
permiten identificar el movimiento que tiene un fluido en un sistema definido:
gunP
pVV
t
V 21 Ecuación 44
Donde:
V Representa las velocidades
P Presión
p Densidad del fluido
n Viscosidad cinemática
65
g Fuerzas que actúan fuera del fluido
A través de ANSYS se muestra la posible solución que más se apega a la realidad ya
que no se pueden resolver en su totalidad ya que estas son ecuaciones diferenciales
parciales, producidas por la ecuación del momento, ecuación masa-energía y
continuidad (Véase Figura 24).
Diagrama del flujo de trabajo para la simulación ANSYS 16.1
Figura 24. Proceso de simulación mediante análisis de números finitos (FEA)
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
66
3.10.1 Modelación del prototipo deshidratador (Etapa de Pre-Procesamiento)
En la Figura 25, se presenta el diseño del prototipo deshidratador de frutas a partir de
su funcionamiento por convección forzada a través de un ventilador. El prototipo está
constituido por varios elementos, el modelado será simulado y posteriormente será
analizado. En la etapa de pre-procesamiento el elemento modelado en Inventor
Profesional 2016 es transportado a ANSYS 16.1 en su ventana de Geometry.
Modelado del prototipo deshidratador
Figura 25. Deshidratador solar Inventor Profesional 2016
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
El modelo para el análisis depende prioritariamente de la concordancia de la
estructura geométrica determinada en el diseño en todos sus sólidos es por eso de la
importancia en la revisión de sus contactos en cada elemento (Véase Anexo 18).
67
3.10.2 Mallado del prototipo (Etapa de Pre-Procesamiento)
La generación del mallado se efectúa en la etapa del pre-procesamiento tomando en
consideración todos los aspectos y tipos de mallado acorde al análisis que se va a
efectuar. Existiendo varios tipos de mallado tales como hexaédricos, piramidales,
tetraedros y por ultimo primas.
La generación del mallado en el equipo es acorde al tipo tetraédrico debido a que la
geometría está en tres dimensiones correspondiente para las simulación de fluidos, en
la discretización de la malla esta contará con un número de nodos igual a 492524 y
un número de elementos igual a 2559821 que servirán para que el análisis sea más
próximo a la realidad, (Véase Figura 26).
Mallado en el prototipo deshidratador en ANSYS 16.1
Figura 26. Generación de Mesh en el prototipo
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Con la opción que ANSYS entrega en la función Statistics Mesh se discretiza la
calidad con la cual la malla está trabajando en este proceso se maneja con el 88%,
68
también se identifica el tipo de mallado siendo esta de forma tetraédrica afirmando lo
anteriormente señalado para la simulación en fluidos (Véase Figura 27).
Statistics-Element Quality
Figura 27. Estadística de Elementos vs Calidad del Mallado
Elaborador por: R. Simbaña (2016).
3.10.3 Ingreso de variables al sistema (Etapa de Procesamiento)
La etapa de procesamiento es donde se efectúa el posicionamiento de las variables en
el caso de la simulación de fluido de aire se ingresará con los siguientes valores
numéricos previamente obtenidos en el capítulo I y II, siendo estos los valores
principales en las cuales el equipo está deshidratado 1 kg de uvilla (Véase Tabla 19):
Tabla 19. Condiciones de borde
Ítem Propiedades del
Aire Cantidad Unidades
1 Velocidad 4 m/s
2 Temperatura 20 °C
3 Presión Atmosférica 101325 Pa
4 Densidad del aire 1,204 kg/m3
5 Viscosidad 1,81*10^5 N.s/m2
6 Conductividad térmica 0.04 (W/(m·K))
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
69
Boundary Details ANSYS 16.1
Figura 28. Condiciones de borde en el deshidratador
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
3.10.4 Validación y análisis de resultados (Etapa de post-procesamiento)
En el proceso de convergencia de las ecuaciones se obtiene 200 iteraciones, siendo
este valor en el cual el procesador ha podido converger las ecuaciones gobernantes
de momento y masa (U-Mon, V-Mon, W-Mom y P-Mass) analizadas entre “variable
value” correspondientes desde 061 e hasta
001 e y “accumulated time step” en un
tiempo aproximadamente de 4 horas donde las ecuaciones encuentran una
estabilización. Esta etapa permite observar y adquirir los resultados que se esperar en
la simulación del equipo los cuales se presentan a continuación (Véase Figura 29).
Governing Equations
Figura 29. Convergencia de las ecuaciones
(Continuity,Momentum,Energy) ANSYS 16.1
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
70
El desplazamiento del aire en el sistema se aprecia como el fluido tiene su
movimiento en la parte interna del equipo, la velocidad total requerida en el proceso
y expuesta a análisis teórico se ilustra en la Figura 30, se observa que la velocidad a
lo largo del proceso tiene una drástica caída desde su ingreso con 4 m/s hasta la parte
inferior del colector que es de 1 a 2 m/s, en el recorrido del fluido se puede observar
como engloba la mayor parte del colector ayudado por el deflector en la parte
posterior este sistema es de gran ayuda ya que produce el arrastre en una mayor parte
de aire recolectado para el proceso (Véase Anexo 15) prototipo sin deflector inferior.
Plano de analisis X,Y,Z
Figura 30. Desplazamiento del aire en el prototipo
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Mientras que en la Figura 31 se observa que el flujo tiene un aspecto laminar
incidente en la fruta que se encuentra en la parte inferior produciendo una mayor
deshidratación a diferencia de la bandeja superior en la cual se evidencia un flujo
turbulento el cual hace que la fruta tarde más tiempo en deshidratarse, se evidencia
también que una de las causas para que exista una diferencia de deshidratación en el
71
equipo es la ubicación de la chimenea la que permite que salida de aire caliente se dé
de forma rápida.
Plano Z,Y
Figura 31. Flujo laminar y turbulento en la cámara de deshidratado
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
En ANSYS el modelo de radiación principalmente se basa en el poder trabajar
peculiarmente en una sola forma o figura, conjuntamente ésta debe estar rodeada de
planos, superficies y ambientes en condiciones de poder transferir calor, siendo esté
ultimo también utilizado por irradiación generada a los demás elementos.
Se analiza el parámetro de temperatura en el prototipo para deshidratación ya que la
fuente de energía para el proceso es la radiación solar que incidente en la placa
colectora la cual es la que mantiene la temperatura constante y la distribución en todo
el colector dependiendo de las condiciones externas que el clima tiene en el entorno.
Las regiones incidentes con la placa colectora presentan vectores con un menor
grado de temperatura ya que están recubiertas por el aislante térmico (lana de vidrio),
72
la mayor parte de uniformidad en temperatura como se evidencia es el vidrio (Véase
Figura 32).
Steady-State Thermal in Prototype
Figura 32. Transferencia de calor a lo largo del sistema Tmax 65°C y Tmin 10°C
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Uno de los puntos con mayor incidencia en pérdida de calor se observa claramente
en la boca toma de la cámara de deshidratación es por eso sé que esta debe tener un
aislamiento con lana de vidrio. En la Figura 33, se ve a través de la distribución de
temperaturas que la incidencia de fluido caliente se da en parte frontal de la cámara
produciendo que la deshidratación no sea uniforme a lo largo de las bandejas,
afirmando los resultados obtenidos en los experimentos donde se muestra partes con
un contenido de humedad más alto que otros.
73
Steady-State Thermal in trays
Figura 33. Transferencia de calor en la cámara de deshidratado
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
Como se observa en la Figura 34, la velocidad del fluido tiene incidencia en el
sistema y a raíz de este efecto se observa cómo actúa la presión dinámica. En este
sistema la presión dinámica aumenta a medida que la velocidad en el colector va
disminuyendo, por lo contrario la presión dinámica disminuye cuando esta va
tomando incidencia con la presión atmosférica en la chimenea del prototipo.
74
System pressure
Figura 34. Distribución de la presión en el sistema
Elaborado por: R. Simbaña (2016)
Los resultados de las simulaciones tanto para el fluido de aire como la transferencia
de calor en el sistema están adjuntados en la sección final del documento (Véase
Anexo 14), la versión del software en la cual estas simulaciones se desarrollan están
en ANSYS 16.1.
75
CAPÍTULO 4
COSTOS
En el presente capítulo se detalla los costos generados en el mantenimiento y estudio
del prototipo deshidratador perteneciente a la Universidad Politécnica Salesiana, el
cual está conformado la cámara de deshidratado, panel solar, equipos de medición
internos-externos y estructura en la cual se encuentra montado todo el equipo. Para el
análisis se considera todos los costos directos e indirectos.
4.1 Costos directos
Son todos los valores correspondientes a materiales mano de obra e instrumentación
utilizadas para el mantenimiento y pruebas de funcionamiento (Véase Tabla 20 y 21).
En el análisis del funcionamiento del deshidratador de frutas, se ha procedido a
subdividir en las siguientes partes (Véase Anexo 17):
- Mantenimiento del equipo deshidratador
- Elementos e instalación de elementos del control e instrumentación
Tabla 20. Mantenimiento del equipo deshidratador
Mantenimiento
Ítem Material Unidad Cantidad Precio Unitario Total
1 Vidrio claro u 1 $ 17,10 $ 17,10
2 Lana de vidrio u 1 $ 34,00 $ 34,00
3 Interruptor 110v u 1 $ 0,50 $ 0,50
4 Galón de tinner gl 1 $ 5,18 $ 5,18
5 Remaches 1/8 * 1/2 u 100 $ 0,01 $ 0,89
6 Remaches 3/16 * 1/2 u 100 $ 0,00 $ 0,20
7 Pintura blanco mate 1/4 lt 1 $ 4,25 $ 4,25
8 Cemento de contacto u 3 $ 0,84 $ 2,52
9 Lija de agua #120 u 2 $ 0,32 $ 0,64
76
Mantenimiento
Ítem Material Unidad Cantidad Precio Unitario Total
10 Lija de agua #180 u 1 $ 0,28 $ 0,28
11 Pintura negro mate lt 1 $ 4,03 $ 4,03
12 Silicón transparente u 2 $ 3,23 $ 6,45
13 Cable gemelo m 3 $ 0,98 $ 2,95
14 Spray negro mate u 4 $ 2,50 $ 10,00
15 Spray negro mate u 2 $ 2,50 $ 5,00
16 Caja eléctrica u 1 $ 20,00 $ 20,00
17 Mano de obra calificada u 1 $ 250,00 $ 250,00
18 Rodela plana 3/16 u 4 $ 0,18 $ 0,72
19 Rodela de presión 3/16 u 1 $ 0,27 $ 0,27
20 Tornillos 5/32x2 u 1 $ 0,37 $ 0,37
21 Picaporte chapa 2" u 1 $ 1,94 $ 1,94
22 Masking multiusos u 1 $ 2,70 $ 2,70
Subtotal $ 369,99
14% $ 51,80
Total $ 421,79
Nota. Continuación Tabla 20
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Tabla 21. Instrumentos de medición utilizados en el análisis
Instrumentación
Ítem Material Unidad Cantidad Precio
Unitario Total
1 Balanza Campy u 1 $ 25,00 $ 25,00
2 Termo higrómetro u 1 $ 35,00 $ 35,00
3
Resistencia eléctrica
2000w u 1 $ 50,00 $ 50,00
4 Dimmer perilla 600w u 1 $ 8,00 $ 8,00
5 Anemómetro digital u 1 $ 48,50 $ 48,50
6 Termostato rainbow 90°C u 1 $ 16,95 $ 16,95
7 Contactor CNC 25A u 1 $ 14,99 $ 14,99
8 Tarjeta dimmer u 1 $ 10,00 $ 10,00
9 Breaker 40amp u 1 $ 4,46 $ 4,46
77
Instrumentación
Ítem Material Unidad Cantidad Precio
Unitario Total
10
Cable para alta
temperatura m 1 $ 5,00 $ 5,00
Subtotal $ 217,90
14% $ 30,51
Total $ 248,41
Nota. Continuación Tabla 21
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
4.2 Costos indirectos
Los costos indirectos son los que no están vinculados con la construcción y diseño
del deshidratador, en los cuales se observa involucrado el mantenimiento y pruebas
de funcionamiento, transporte del equipo como también la movilidad de las personas.
Se toma en consideración también los valores referentes a alimentación, consumo de
internet y consumo de línea telefónica (Véase Tabla 22).
Tabla 22. Costos indirectos
Costos indirectos
Ítem Material Total
1 Transporte de materia y movilidad $ 150,00
2 Varios $ 150,00
Total $ 300,00
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
Todos los valores correspondientes a los materiales, instrumentación y varios es el
total invertido en el prototipo deshidratador de frutas, teniendo un valor
correspondiente a los $970.19 en un tiempo estimado de dos meses, (Véase Tabla 23)
y (Véase Anexo 17).
78
Tabla 23. Costo directo e indirecto
Costo de mantenimiento y análisis
Concepto Costo Porcentaje %
Costo directo 670,19 69
Costo indirecto 300 31
Total (USD) 970,19
Elaborado por: R. Simbaña (2016).
79
Resultados
Finalizado el proyecto de “Análisis y simulación del proceso de deshidratado de fruta
utilizando un prototipo deshidratador con energía solar” se establecen los siguientes
resultados:
- Los factores más importantes en la deshidratación de frutas son la temperatura,
la velocidad, los cuales son suministrados a través del colector solar en una
tiempo determinado, esto permite manejar de mejor manera el cambio mínimo
de las propiedades organolépticas que la uvilla necesita para ser puesta al
consumo humano, por lo tanto estas variables están ya establecidas en estudios
o bibliografías anteriormente presentadas. De tal manera que se comenzó a
realizar pruebas experimentales en condiciones de temperatura de 62°C con
velocidades correspondientes a 1.5 m/s y 3 m/s de ingreso a la cámara.
Obteniendo como resultado las mejores condiciones para deshidratado a una °T
promedio de 62°C con una velocidad de 3 m/s y cumpliendo así el parámetro
de 16.61% de humedad relativa de uvilla deshidrata.
- La implementación de los equipos tanto medición como elementos mecanismo
permitieron tener un mayor control temperatura como del recorrido del aire en
el sistema, básicamente a través del estudio de colectores se rediseño en
recorrido del flujo de aire por medio de deflectores en forma circulares y
cóncavas.
- Con la simulación del flujo del aire se encuentran condiciones favorables para
el prototipo, por esta razón las valores encontrados teóricamente se afirman en
la simulación, de tal manera que el flujo es laminar en la mayor parte de
recorrido por el sistema, ayudando así a una deshidratación más uniforme en
las frutas.
80
Conclusiones
Se establece las siguientes conclusiones del proyecto:
- La deshidratación de frutas no es un campo explotado a gran escala en el país,
según la Revista Líderes (2016), existen 15 microempresas dedicadas a la
deshidratación de alimentos, produciendo el beneficio económico de $42.000
en el 2013 y $4,000.000 hasta el primer del presente año solo con la
exportación a uno de los principales consumidores como los Estados Unidos.
- La modificación del ángulo de inclinación de 45° a 30° permite observar que
la estimación de la radiación en planos inclinados suba de 3.80 a 3.92
𝑘𝑊ℎ/𝑚2 para el mes de junio.
- A partir del incremento de radiación, la temperatura promedio de trabajo
aumentó de 42°C a 65 °C aproximadamente, para 1 Kg de uvilla en rodajas,
alcanzando la temperatura recomendada por la norma NTE INEN 2485:2009
- Los parámetros más influyentes son el ingreso del aire a 4 m/s para obtener
una salida de 2.95 m/s, la caída de velocidad en el sistema se debe a que el
equipo tiene cambios de áreas significativos en su sistema.
- La fruta deshidratada termina en su interior con el porcentaje de humedad de
16.61 % y el porcentaje de pH de 3.85 evaluadas a través de los métodos
MAL-13/AOAC 925.10 e INEN 526 por la facultad de ciencias químicas de
la Universidad Central del Ecuador.
81
Recomendaciones
- Implementación de un sistema automático que permita manejar
continuamente la temperatura generada por el colector, la temperatura
generada por la resistencia y la velocidad del ventilador permitiendo así
mantener un trabajo más estable en la deshidratación de frutas.
- Implementación de un sistema de control automático que ayude a una
mejor captación de la radicación solar.
- Rediseñar la entrada y salida del aire tanto del colector como de la cámara
para tener una mayor eficiencia en el deshidratado.
- Tener un manejo adecuado de la fruta a procesar lo que permitirá que la
deshidratación sea uniforme en todas las rodajas.
- Antes de la construcción de un equipo industrial, se debe efectuar análisis
y simulaciones en Software que permitan mejores alternativas en la
implementación.
- Realizar prueba y análisis bromatológicos que permitan ver las
condiciones químicas y físicas de la calidad de la fruta deshidrata.
- Permitir la industrialización del equipo para el beneficio de la sociedad
tomando en cuenta las recomendaciones anteriormente planteadas.
82
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Tecniagricolas. (11 de Junio de 2011). Obtenido de Partes de un fruto citrico,
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convencional para el calentamiento de aire, para placas intercambiables.
Quito.
Weather Guide. (2016). Obtenido de Quit Ecuador Clima: http://www.weather-
guide.com/ciudad-clima-es/Quito-tiempo-clima.php
88
Anexos
89
Anexo 1. Ángulo de declinación
90
Anexo 2. Valores constantes para cálculo de índice de claridad.
Región Sierra Costa
a 0.25 0.28
b 0.45 0.54
Nota: Constantes para el Ecuador
Fuente: Mena Coba (2013)
91
Anexo 3. Valores de albedo en función del tipo de superficie reflectante
Tipos de superficies Albedo
Nieve recién caída 0.9
Nieve aplastada 0.6
Suelo desnudo 0.15 a 0.25
Pradera 0.25 a 0.75
Mar en verano 0.05
Mar en invierno 0.1
Nota: Radiación reflejada en diferentes tipos de superficies
Fuente: (Aragón)
92
Anexo 4. Valor de radiación solar diaria enero-diciembre
Declinación solar (𝛿°)
Meses n radianes x seno(x) 𝛿°
1 16 0,017453293 5,164261896 -0,89963087 -21,09634389
2 44 0,017453293 5,646259673 -0,594726687 -13,94634081
3 80 0,017453293 6,265971101 -0,017213356 -0,403653202
4 105 0,017453293 6,696326259 0,401487989 9,414893347
5 166 0,017453293 7,746392844 0,994217907 23,31440992
6 181 0,017453293 8,004605939 0,98867759 23,18448949
7 196 0,017453293 8,262819034 0,917583626 21,51733603
8 226 0,017453293 8,779245224 0,601624063 14,10808428
9 256 0,017453293 9,295671413 0,128748177 3,019144761
10 286 0,017453293 9,812097603 -0,377707965 -8,857251784
11 316 0,017453293 10,32852379 -0,785649855 -18,4234891
12 365 0,017453293 11,1720199 -0,984473817 -23,085911
Ángulo de ocaso (Ws), Número de horas de sol teórico
Ø -Tan(𝛿) Tan(Ø) - Tan(𝛿)*Tan(Ø) Ws N(h) Gsc
-0,21667 0,3858 -0,00378 -0,00146 90,08359 12,01115 1353
-0,21667 0,2483 -0,00378 -0,00094 90,05381 12,00717 1353
-0,21667 0,0070 -0,00378 -0,00003 90,00153 12,00020 1353
-0,21667 -0,1658 -0,00378 0,00063 89,96407 11,99521 1353
-0,21667 -0,4310 -0,00378 0,00163 89,90662 11,98755 1353
-0,21667 -0,4283 -0,00378 0,00162 89,90721 11,98763 1353
-0,21667 -0,3943 -0,00378 0,00149 89,91458 11,98861 1353
-0,21667 -0,2513 -0,00378 0,00095 89,94554 11,99274 1353
-0,21667 -0,0527 -0,00378 0,00020 89,98857 11,99848 1353
-0,21667 0,1558 -0,00378 -0,00059 90,03376 12,00450 1353
-0,21667 0,3331 -0,00378 -0,00126 90,07217 12,00962 1353
-0,21667 0,4262 -0,00378 -0,00161 90,09235 12,01231 1353
93
Radiación solar extraterrestre (Gon)
1+0,033*COS((360*n)/365) Gon (W/m2)
1,031756 1395,966
1,023978 1385,442
1,006351 1361,593
0,992262 1342,530
0,968322 1310,140
0,967011 1308,366
0,967887 1309,551
0,975828 1320,295
0,990073 1339,569
1,006907 1362,346
1,02194 1382,685
1,033 1397,649
Radiación extraterrestre diaria sobre superficies horizontales (Ho)
24*3600*Gsc/PI cos(Ø) cos(𝛿°) sen(Ws) (Pi*WS)/180 sen(Ø) sen(𝛿°) Ho
(W.h/m2)
37210171,047 0,99999285 0,932976505 0,999998936 1,572 -0,003782 -0,3599 9972,4
37210171,047 0,99999285 0,970521868 0,999999559 1,572 -0,003782 -0,2410 10287,1
37210171,047 0,99999285 0,999975184 1 1,571 -0,003782 -0,0070 10401,9
37210171,047 0,99999285 0,986529674 0,999999803 1,570 -0,003782 0,1636 10108,0
37210171,047 0,99999285 0,918346872 0,999998672 1,569 -0,003782 0,3958 9167,9
37210171,047 0,99999285 0,919241949 0,999998688 1,569 -0,003782 0,3937 9164,6
37210171,047 0,99999285 0,930306633 0,999998889 1,569 -0,003782 0,3668 9285,2
37210171,047 0,99999285 0,969837632 0,999999548 1,570 -0,003782 0,2438 9767,4
37210171,047 0,99999285 0,998611992 0,99999998 1,571 -0,003782 0,0527 10216,1
37210171,047 0,99999285 0,98807502 0,999999826 1,571 -0,003782 -0,1540 10292,9
37210171,047 0,99999285 0,948746528 0,999999207 1,572 -0,003782 -0,3160 10041,3
37210171,047 0,99999285 0,919917945 0,999998701 1,572 -0,003782 -0,3921 9847,0
94
Radiación diaria promedio terrestre sobre una superficie horizontal (H)
n a b Heliofanía días del mes nr H
16
0,25 0,45
161,7 31 5,216129032 4441,92674
4
44 100,3 29 3,45862069 3905,19178
9
80 119,4 31 3,851612903 4102,85508
6
105 93,1 30 3,103333333 3703,78278
5
137 155,7 31 5,022580645 4020,51476
7
166 144,2 30 4,806666667 3944,75693
4
181 163,9 31 5,287096774 4163,96872
3
196 225,9 31 7,287096774 5112,57258
226 175,9 30 5,863333333 4800,56219
8
256 149,4 31 4,819354839 4432,71644
8
286 165,8 30 5,526666667 4589,72371
9
316 143,5 31 4,629032258 4169,32876
7
Radiación de sol estimado en superficies inclinadas
Kt Hd Hb Rb cos-1(-Tan(𝛿)*
Tan(Ø))
0,44542 1853,47 2588,456662 0,617326038 90,0833786
0,37962 1901,538 2003,653396 0,718356411 90,05359527
0,39443 1928,068 2174,7871 0,864378153 90,001316
0,36642 1862,266 1841,516703 0,939213987 89,96386265
0,43854 1704,306 2316,208445 1,012937383 89,90641326
0,43044 1703,72 2241,037015 1,012367073 89,90699524
0,44845 1725,49 2438,479159 1,004909143 89,91436629
0,52343 1787,755 3324,817788 0,967568381 89,94533399
0,4699 1894,658 2905,904385 0,893098394 89,9883619
0,43066 1913,485 2519,231095 0,779725194 90,03355312
0,45708 1864,881 2724,842801 0,657229005 90,07196381
0,42341 1830,259 2339,069452 0,585876822 90,09214301
95
tan(Ø+ß) Tan(𝛿) cos-1(-Tan(Ø+ß)* Tan(𝛿)) W's
0,992465363 -0,385794576 67,48717032 1,334822281
0,992465363 -0,248333486 75,73155037 1,189115961
0,992465363 -0,007045194 89,59916876 1,004488292
0,992465363 0,165816 99,47182783 0,904415497
0,992465363 0,430966219 115,3226222 0,779607778
0,992465363 0,428280146 115,1537623 0,780756039
0,992465363 0,394260037 113,034491 0,795459558
0,992465363 0,251332643 104,44407 0,861181817
0,992465363 0,052742842 93,00032687 0,967613394
0,992465363 -0,155831517 81,1028842 1,110115306
0,992465363 -0,333111115 70,6945621 1,274100315
0,992465363 -0,42624554 64,97356687 1,386596848
Estimación de radiación solar en superficies inclinadas (Ht)
Rb Ht Ht(KWH/m2)
0,617326038 3401,620992 3,401620992
0,718356411 3278,896299 3,278896299
0,864378153 3747,460172 3,747460172
0,939213987 3529,122755 3,529122755
1,012937383 4003,644422 4,003644422
1,012367073 3924,406561 3,924406561
1,004909143 4130,086935 4,130086935
0,967568381 4970,605851 4,970605851
0,893098394 4443,392517 4,443392517
0,779725194 3823,848017 3,823848017
0,657229005 3607,666606 3,607666606
0,585876822 3147,884784 3,147884784
96
Anexo 5. Tabla de propiedades del aire
97
Anexo 6. Propiedad del agua saturada
98
Anexo 7. Selección materia prima
99
Anexo 8. Coeficiente de resistencia -contracción súbita
100
Anexo 9. Coeficiente de resistencia-expansión súbita
101
Anexo 10. Coeficiente de resistencia para acoples
102
Anexo 11. Equivalencias de diámetros para tubería cuadrada y rectangular
103
Anexo 12. Valores para n, entradas y salidas en ductos
104
Anexo 13. Informe de resultados de humedad y pH en uvilla deshidrata
105
Anexo 14. Software ANSYS 16.1 (CD adjunto)
106
Anexo 15. Prototipo sin deflector inferior
107
Anexo 16. Valores de deshidratación con 60°C y 70°C
Valores de deshidratación con 60°C de temperatura
Tiempo Peso m.s S Xi
min g g Kg kg agua/kg sólido
0 1423,2 185,5 0,2 3,7
15 1409,1 171,4 0,2 3,4
30 1384,0 146,3 0,1 2,7
45 1364,3 126,6 0,1 2,2
60 1346,0 108,3 0,1 1,7
75 1331,0 93,3 0,9 1,4
90 1319,8 71,6 0,7 0,8
105 1309,3 62,7 0,6 0,6
120 1294,1 56,4 0,6 0,4
135 1288,5 50,8 0,5 0,3
150 1284,5 46,8 0,5 0,2
165 1281,9 44,2 0,4 0,1
180 1280,3 42,6 0,4 0,1
195 1279,4 41,7 0,4 0,2
210 1278,6 40,9 0,4 0,0
225 1278,4 40,7 0,4 0,0 Nota: S = peso neto de la uvilla sin su recipiente
Fuente: Juntamay Tenezaca (2010).
108
Valores de deshidratación con 70°C de temperatura
Tiempo Peso m.s S Xi
min g g Kg kg agua/kg sólido
0 1374,40 140,00 0,14 4,13
15 1346,80 112,40 0,11 3,12
30 1322,80 88,40 0,88 2,24
45 1303,40 69,00 0,69 1,53
60 1288,40 54,00 0,54 0,98
75 1278,00 43,60 0,44 0,60
90 1270,50 36,10 0,32 0,32
105 1265,40 31,00 0,31 0,14
120 1263,50 29,10 0,29 0,07
135 1262,20 27,80 0,28 0,02 Nota: S = peso neto de la uvilla sin su recipiente
Fuente: Juntamay (2010).
109
Anexo 17. Facturas de mantenimiento e instrumentación.
110
111
112
113
114
115
116
Anexo 18. Diagrama esquemático de las dimensiones del prototipo
![Proyecto ley organica tierras y territorio [luis andrango fenocin]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/559d5d511a28abe54a8b45bc/proyecto-ley-organica-tierras-y-territorio-luis-andrango-fenocin.jpg)
