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Camayo, B., Quispe, M., Condezo, D., Massipe, J., Galarza, J. y Mucha, E. (2021). Diseño autónomo del sistema solar térmico para la deshidratación indirecta de Aguaymanto (Physalis Peruviana L.), Junín. La Granja: Revista de Ciencias de la Vida. Vol. 33(1):115-124. http://doi.org/10.17163/lgr. n33.2021.10
1. Introducción
A nivel mundial, las instituciones gubernamentales, organizaciones, empresas internacionales y los investigadores están cada vez más conscientes de la importancia de la gestión de los recursos naturales (Solangi et al., 2011; Sándor et al., 2020; Jakab, 2020) y la transición hacia las energías renovables (Solangi et al., 2011; Reid et al., 2010; Marcucci y Turton, 2015). El objetivo principal de la sostenibilidad energética es reemplazar la energía generada por los combustibles fósiles por la energía renovable (Lachuriya y Kulkarni, 2017; Löwy y Mátyás, 2020).
En relación a las políticas a nivel mundial, en Norteamérica (USDE, 2008; Wikipedia 2010; USDE 2010; Liming et al., 2008; Smitherman, 2009; OPA, 2009; Branker, 2010), Europa (BMU, 2008; Bhandari y Stadler, 2009; Luigi y Enrico, 2010; Campoccia et al., 2009; Dusohchet y Telaretti, 2010) y Asia (Wang y Qiu, 2009; Caldrés et al., 2009; Wang, 2010; Ashraf et al., 2009) se han aprobado políticas de energía solar para no depender del diésel y aumentar la producción nacional de la energía solar, ya que tiene menos impacto en el medio ambiente (Solangi et al., 2011; Espinoza, 1991; Sommerfeld y Buys, 2014). Como afirma Gamio, "Perú es un lugar ideal para llevar a cabo proyectos de energía renovable, ya que cuenta con más recursos y fuentes de energía renovable como el sol, el agua, la energía geotérmica, eólica o biomasa" (Gamio, 2014).
En América Latina, existen propuestas para el uso de energía solar térmica en el procesamiento de alimentos, industrias no metálicas, textiles, de construcción, productos químicos e incluso industrias relacionadas con los negocios (Mekhilef et al., 2011). A pesar del enorme potencial técnico, el desarrollo y despliegue a gran escala de tecnologías de energía solar en todo el mundo, aún se deben superar una serie de barreras técnicas, financieras, regulatorias e institucionales. Por lo tanto, es necesario ampliar los incentivos del Protocolo de Kioto, que parecen ser insuficientes (Timilsina, Kurdgelashvili y Narbel, 2012).
Una opción práctica, económica y del medio ambiente es el uso de sistemas solares térmicos para preservar las verduras y otros productos. Los sistemas de calefacción que utilizan energía solar térmica pueden mejorar la calidad del producto, así como reducir los residuos y el uso de combustibles tradicionales, mejorando así la calidad de vida de las personas (Roche-Delgado 2017). Con respecto a las técnicas de conservación de los alimentos, un problema es la implementación de instalaciones de deshidratación para las instituciones nacionales de exportación.
Según Benavides (2014), una de las limitaciones en la industria de las frutas y hortalizas deshidratadas es la limitada disponibilidad de maquinaria de deshidratación; por lo tanto, se planea implementar plantas piloto de deshidratación en Ancash y Tarma. El objetivo básico es utilizar secadores solares con un rendimiento térmico mejorado y un menor impacto ambiental (AOAC, 2000).
En la actualidad, entre el 10 y el 40% de los productos cosechados no llega al consumidor final, pues los productores a menudo dejan sus productos en su granja ya que los intermediarios pagan menos que el costo de producción. Como resultado, la descomposición y contaminación de los productos es frecuente en los países en desarrollo, particularmente en las regiones rurales del Perú.
En la práctica agrícola se pueden observar varias tecnologías post-cosecha con el fin de preservar los alimentos. Sin embargo, el método más antiguo utilizado es el secado solar, pues mantiene propiedades físicas, químicas y nutricionales.
Para secar los alimentos, los agricultores creen que el 35% y el 40% del costo total del procesamiento se debe actualmente a las máquinas industriales de alto costo. Estos dispositivos son difíciles de usar en pequeñas granjas; por lo tanto, se necesitan alternativas tecnológicas como la secadora solar, que es menos costosa y no contamina el medio ambiente.
En la actualidad, en Perú el secado solar al aire libre es una alternativa, pero no ofrece la calidad necesaria de los productos para la exportación. Teniendo en cuenta que la mayoría de los agricultores se encuentran en lugares de difícil acceso o en las fronteras del país, el deshidratador solar es una opción para permitir exportar sus productos y mejorar su condición económica. En otros países, esta tecnología se está utilizando en zonas tropicales y subtropicales, pero desafortunadamente el secado solar no será usado por los agricultores si no pueden observar diferencias significativas en relación con el secado al aire libre, lo que afecta la calidad de los productos.
Por lo tanto, es importante mejorar el secado de productos específicamente en el aguaymanto, lo que puede reducir las pérdidas, aumentar la calidad, la eficiencia del procesamiento, y puede proporcionar una mayor aceptación por parte de la comunidad agrícola. Por lo tanto, los objetivos de esta investigación son: a) diseñar un secador solar indirecto autónomo para deshidratar aguaymanto de manera rentable y que cumpla con la calidad de exportación; (b) equipar con tecnología avanzada a los productores de la parte central de la zona montañosa del Perú, zona en la que este procedimiento aún no está disponible; (c) construir un prototipo de secador solar autónomo de 100 kg de capacidad por lote de aguaymanto, equipado con reflectores planos y alimentación de aire forzada asegurada por energía fotovoltaica; (d) este dispositivo debe cumplir con los requisitos de calidad de la fruta seca para la exportación.
Para alcanzar el objetivo propuesto, se redujo el área del colector solar plano. Se seleccionó aguaymanto como la materia prima a secar y se consideró su morfología y tasa de secado. Los resultados previstos fueron el diseño de un prototipo para el secado autónomo indirecto de un aguaymanto de alta calidad, y la elaboración de planes para la construcción local del secador solar de acuerdo con el desarrollo tecnológico de las empresas locales de procesamiento de metales y la construcción de máquinas. Como recomendación, los usuarios directos de este innovador sistema de secado solar deben ser pequeños y medianos agricultores y contar con plantas agroindustriales que produzcan aguaymanto en Perú. Hasta ahora, la mayoría de estas instalaciones no poseen una tecnología que sea de bajo costo y eficiente. En gran medida, este sistema resolverá el problema del deterioro posterior a la cosecha y facilitará las exportaciones, al igual que puede mitigar el cambio climático.
2. Materiales Y Métodos
Se determinaron las características físico-químicas (pH, acidez y sólidos solubles), químico proximal (humedad, grasa, proteína, fibra, cenizas, carbohidratos), organolépticas (grasa, proteína, carbohidratos y fibra) y parámetros de secado de aguaymanto de acuerdo con las normas establecidas por AOAC (2000) (AOAC, 2000).
Se diseñó un sistema de secado solar autónomo considerando lo siguiente: (I) Las condiciones morfológicas y de secado del aguaymanto. El cálculo de las dimensiones de la cámara de secado se basa en la cantidad de materia prima a secar; área de la sección transversal del flujo de aire caliente; descarga manual de los productos a secar; área de la sección transversal del flujo de aire caliente. (II) Diseño de colectores solares planos: Se consideran variables meteorológicas: velocidad del viento, intensidad de la radiación solar, latitud, altitud, humedad relativa y temperatura del aire (se obtendrá información del lugar de la prueba). Se procederá con los siguientes: análisis del circuito térmico en un colector de placa plana; balance de energía que representa el calor absorbido, el calor útil y las pérdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas; cálculo teórico de la eficiencia de los colectores solares equipados con placas planas, determinando el área de recogida óptima y el área de sección del flujo de aire; este proceso se concentra en los reflectores y el sistema fotovoltaico para el flujo forzado, que se puede optimizar para las dimensiones: longitud, anchura y altura del colector solar. (III) Diseño de sistemas de aire forzado: se implementará el control de las temperaturas dentro de la cámara de secado y se medirá la humedad de aguaymanto. (IV) Diseño de los sistemas de control: estabilización y monitorización de temperaturas, humedad y velocidad en el secado solar.
Las consideraciones para el cálculo y el diseño del sistema de secado solar se incluyeron en tres categorías: (1) Térmica, donde el Sol es elegido como fuente de energía. (2) Mecánica, que evalúa los materiales y los detalles de construcción de la tecnología local. (3) Las consideraciones económicas que se refieren al costo del sistema y se abordan tanto para las condiciones económicas como culturales de los agricultores que viven en la zona.
La recopilación de los datos permite calcular las dimensiones del secador solar y seleccionar los materiales adecuados para realizarlo. Además, en algunos casos, se utilizaron datos experimentales para calcular algunos de los parámetros de diseño.
Características de la ubicación del secador de aire forzado: altitud: 3000 m.s.n.m.; condiciones climáticas típicas de las tierras altas; la energía eléctrica está disponible dentro de las ciudades, pero en el campo no se puede acceder a la electricidad; por lo tanto, se debe utilizar energía solar térmica y fotovoltaica.
3. Resultados y discusión
3.1. Características químicas de aguaymanto deshidratado
En este ensayo experimental realizado con un deshidratador indirecto, se obtuvieron resultados sobre la composición química inmediata. De los parámetros medidos y enumerados en la Tabla 1, la humedad de la fruta de aguaymanto es de mayor interés, pues tiene un valor promedio del 15%.
3.2. Composición físico-química de aguaymanto deshidratado
En ensayos experimentales realizados en un deshidratador indirecto, se obtuvieron resultados que se presentan en la Tabla 2 sobre la composición fisicoquímica de aguaymanto deshidratado, donde el porcentaje de sólidos solubles representa el mayor interés, pues su valor promedio es de 85%.
3.3. Diseño conceptual del secador solar
Los resultados obtenidos permitieron determinar la tecnología y definir la forma geométrica del secador solar y tiene las siguientes características:
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Características de aguaymanto:
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Condiciones y requisitos de secado:
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Tecnología seleccionada:
Se prefiere un secado solar forzado indirecto, donde se puede utilizar un colector solar para alcanzar una temperatura de secado de 60 °C. La ventilación también está regulada con aire forzado, utilizando energía fotovoltaica según el esquema que se muestra en la Figura 1.
3.3.1. Cámara de secado
La fruta se colocó en bandejas de 11 kg/m-2 debido a que el aguaymanto es frágil pero fácil de manipular. La cámara propuesta tiene la forma de un paralelepípedo (Figura 2), con las siguientes características:
Forma de flujo: paralela.
Bandeja de marco simple con malla milimétrica.
Dimensiones del fondo de la cámara: 0,60 m.
Ancho del colector: 1,40 m.
Altura de la cámara: 1,10 m (que corresponde a 22 bandejas, con 2 bandejas por fila y 11 bandejas por nivel de soporte. Los espacios entre los soportes de la bandeja son de 6,50 cm.
Las dimensiones de la cámara de secado se muestran en el Tabla 3:
Colectores solares plano: Estos son dispositivosque permiten transformar la energía solar radianteen energía térmica en forma de aire caliente (Espinoza, 1991).
Tamaño: Esta parte se aproxima a un factor de secado de 1,0 kg de agua/(m2 *día) (Espinoza,1991). Según las condiciones de humedad del aguaymanto, es necesario evaporar aproximadamente70 kg de agua.
Superficie estimada: 70 m2 por día. El resultado obtenido indica que se necesitan 70m2 de colectorplano para un día de secado, y, 23;3 m2 para tres días. Por lo tanto, los cálculos más exactos se harán más adelante. Por el momento para el diseño conceptual se utiliza la alternativa de tres días para el colector de 20m2 y el secado; además se asume por la anchura 1,4 m que la longitud es de 16,6 m, dando como resultado la forma del secador solar como se muestra en la Figura 3.
3.3.2 Cálculos de diseño para el secado de 100 kg de aguaymanto
En el proceso de diseño es necesario realizar algunos cálculos de referencia o comprobación (Espinoza, 1991).
Cantidad de energía necesaria: En caso de querer secar 100 kg de un producto como el agua y manto desde el 80% de la humedad inicial hasta el 12% de la humedad final, se debe constar con:
Cantidad inicial de agua: 100 x 0,80 = 80. Kg
Cantidad de agua final 100 x 0,12 = 12 kg
Cantidad de agua a evaporar 80. -12 = 68 kg
Calor latente de la evaporación del agua a temperatura de secado solar = 2440 kJ/kg de agua
Energía necesaria: 68 kg de agua x 2 440 kJ/(kg de agua) = 165 920 kJ.
Días necesarios de sol: La radiación media anual en Tarma es de 5;61kWh/m2 de radiación solar(Camayo-Lapa y col., 2017).
Energía equivalente: 5,61 x 3 600 = 20196 kJ/(m2-día)
Suponiendo 20 m2 de colector: 20196 kJ/(m2-día) x 20 m2 = 403920 kJ/día
Suponiendo una eficiencia total del 40% se tiene:
Energía disponible: 403920 kJ/día x 0,4 = 161568 kJ/día.
Días de secado: 165920 kJ / 161568 kJ/día = 1,03 días.
Por lo tanto, se necesitan 1,03 días de secado.Además, se necesitan reflectores como espejos planos al contar con colectores de 1,40 x 2,40 de largo,solo se requieren 3 colectores solares para secar el producto en un día aproximadamente. Para verificarla longitud del colector solar se utiliza la Ecuación1 (Espinoza, 1991); con DT el calentamiento del aire a través del colector [°C], H la radiación solar[W/m2], L la longitud del colector [m] y v la velocidad del aire a través del colector [m/s]:
El colector puede aumentar en 56,2°C en forma de datos de radiación de 900 W/m2, una longitud de 2,40 m, y una velocidad de 1 m/s.
3.3.3 Diseño de sistemas de aire forzado
Cálculo del flujo de aire necesario para secar: Para el secado de 100 kg de producto húmedo se necesita que la humedad inicial de 80% tenga una humedad final de 12% en 24 horas, como es el caso del agua y manto. Si el promedio de la velocidad del secado es . Y si el producto húmedo de 100 kg consta de 80 kg de agua y 12 kg de materia seca. Entonces la tasa media de evaporación sería: 7,87 x 10-6 kg agua/(kg secos) x 12 kg seco = 9,4 x 10-5 agua/s.
Esta cantidad de agua tendrá que evaporarse en una corriente de aire con un cierto caudal y capacidad de secado que se obtiene de la carta psicométrica para la presión del aire y las condiciones de temperatura del lugar donde se llevará a cabo el secado.
Según el diagrama (Figura 4), 20 kg de secado forzado por aire pueden evaporar 13 g de agua, que corresponde a 9,4 x 10-5 kg de agua /s. Por lo tanto, el flujo de aire requerido es de 9,4 x 10-5 kg de agua/s x 1/(13 g de agua / kg de aire x 1 kg / 1000 g) = 0,00723 kg de aire/s = 7,23 g de aire/s. Se necesita un flujo de aire igual a m = 7,23 g de aire/s.
Cálculo del flujo (Q) y velocidad (v) del aire: El flujo de aire se calcula mediante la ecuación (2) con p = 1,2 kg/m3 la densidad del aire.
Por lo que es el flujo de aire necesario. La velocidad del aire recomendada es de 1 a 2 m/s (Espinoza, 1991).
3.3.4 Dimensiones finales del secador solar
Cámara de secado: Las dimensiones interiores sonde 0,60 m, anchura 1,40 y altura 1,10 m y se espera 0,05 m para el aislamiento, por lo que las medidas exteriores son de 0,70 m de ancho, 1,50 m de profundidad y 1,20 m de alto, como se muestra en la Tabla 3.
Colector solar: Se deben tener en cuenta las dimensiones de 1,50 de ancho, 2,40 de largo y 0,15 de alto, y se necesitarán 2 reflectores de espejos planos para cada colector, por lo que al final se necesitarán 2 unidades de colectores solares con sus respectivos reflectores de espejos planos. Así mismo el secador solar térmico constará de un sistema fotovoltaico (Figura 5).
Dimensiones de los paneles solares:
4. Conclusiones
Las condiciones de secado realizadas con un sistema solar térmico autónomo para la deshidratación indirecta en aguaymanto muestran características nutricionales que indican el valor nutricional del producto, y el contenido de humedad obtenido garantiza su vida útil. Debido a las características fisicoquímicas del aguaymanto, se seleccionó un secador solar indirecto con aire forzado, donde la fuente de energía para los ventiladores y los controles de temperatura, humedad y velocidad del aire proviene de un sistema fotovoltaico. Los componentes del sistema de secado autónomo de 100 kg de aguaymanto por un proceso diseñado para un tiempo medio de secado de dos días consisten en: un colector con las siguientes dimensiones: fondo de 1,50 m, 2,40 m anchura y 0,05 m altura y 0,05 m de ancho para el aislamiento, lo que aumenta su eficiencia y reduce el área del colector. De igual forma, tendrá un reflector de espejos planos de 1,50 m de fondo, 2,40 m de ancho a cada lado, en una cámara de secado cuyas dimensiones interiores propuestas son inferiores a 1,50 m, 2,40 m de ancho; el sistema de aire forzado y los controles es un panel fotovoltaico de 80 Wp.
Se espera que esta propuesta de secado sea de ayuda para el deterioro posterior a la cosecha y facilite la exportación, pues mejorará la calidad, el coste y la limpieza del aguaymanto. De acuerdo con el desarrollo tecnológico de las empresas metalmecánicas de la ciudad, la propuesta del secador solar permitirá su construcción local. También se espera que los usuarios directos de este innovador sistema de secado solar sean los pequeños y medianos agricultores y agroindustriales del aguaymanto en nuestro país.