Actuaciones de un colector solar de aire para secado de productos agrícolas en países en vías de desarrollo

Abstract

El uso de secaderos solares para el secado de productos agrícolas es una de las tecnologías apropiadas en crecimiento en los países en vías de desarrollo. En el marco de las tecnologías apropiadas se define el presente Trabajo Fin de Grado para caracterizar el proceso de calentamiento de aire y la capacidad de secado de un secadero solar activo (de convección forzada) de tipo distribuido protegiendo así al máximo los productos agrícolas de los agentes externos. Este sistema se basa en el aprovechamiento de la energía solar para calentar el aire que entra a la cámara de secado utilizando un colector solar plano. Se desarrolla un modelo matemático basado en un balance energético en el colector para calcular la temperatura del aire a la salida del colector solar. Las variables de entrada al modelo son, por un lado, las condiciones climáticas del lugar en el que está localizado el secadero solar, esto es, la temperatura y humedad del ambiente, la irradiación solar sobre el plano inclinado (previo cálculo), la velocidad del viento; y por otro, los parámetros de diseño del colector, sus dimensiones (sección, longitud y anchura), el caudal de aire y las características de los materiales empleados. Los resultados obtenidos del modelo teórico, que ha sido implementado en MATLAB utilizando un método iterativo, se han validado con resultados experimentales de la literatura obteniendo errores relativos pequeños (menores que el 6 %). Una vez obtenida la temperatura se desarrolla otro modelo matemático para calcular la capacidad de secado del aire que secará los productos agrícolas. Para la resolución de las ecuaciones se emplea un método numérico (Newton-Raphson). La capacidad de secado del aire indica cuánto caudal másico de agua (contenida en los productos a secar) es capaz de extraer la corriente de aire que circula en la cámara de secado. Partiendo de este parámetro se define la eficacia de secado que se define como la mejora que provoca el precalentamiento de la corriente de aire que circula en la cámara de secado mediante el uso de un colector solar sobre el ambiente. Además, se ha comprobado la capacidad y eficacia de secado para dos casos particulares, proponiendo mejoras para aumentarlas. Por último se realiza un análisis paramétrico en base a un caso nominal establecido, para estudiar cómo influyen las variaciones en las condiciones de diseño y operación al funcionamiento del colector fijando una de ellas. Los resultados muestran que la temperatura del aire a la salida del colector es mayor cuanto más largo o más ancho es éste, ya que el tiempo de residencia aumenta. También aumenta la temperatura para caudales másicos bajos porque hay que calentar menos masa de aire y para secciones de paso pequeñas puesto que aumenta el coeficiente de convección. La temperatura a la salida aumenta linealmente con la temperatura ambiente y la irradiación solar; sin embargo, la temperatura disminuye con la velocidad del viento ya que éste ocasiona más pérdidas En cuanto al rendimiento del colector, los resultados indican una importante mejora cuando se trabaja con caudales másicos elevados, sin embargo esto no favorece la temperatura a la salida del colector ni la eficacia de secado, ya que existe un valor límite de caudal másico a partir del cual ya no se consiguen mejores resultados. La irradiación solar, junto con la humedad ambiental y las dimensiones del colector, influyen positivamente en la eficacia de secado, mientras que las elevadas temperaturas del ambiente o velocidades del viento penalizan dicha eficacia. Este estudio permite ajustar los parámetros del colector para asegurar las temperaturas requeridas en el secado de los productos agrícolas garantizando así su calidad.

The use of solar dryers for agricultural products is one of the appropriate technologies that is growing in developing countries. This Degree Thesis is defined in the framework of the appropriate technologies and focuses on characterizing the heating process of the air and the drying capacity of the heated airflow of an active solar dryer (forced convection) of distributed type, in response to the necessity to protect agricultural products from external agents. Solar dryers are based on solar energy used to heat the air that comes into the drying chamber through a solar flat plate collector. The aim of this work is to develop a mathematical model based on energy balance in the solar collector with the purpose of estimating air temperature at the exit of the collector. The inputs are the climatic conditions of the solar dryer location, these are, the temperature and the humidity of the environment, the solar radiation on the tilted plane (which is calculated before), the wind speed; and on the other hand, there are inputs of the size of the collector (cross section, length and width), the air mass flow and the specifications of the materials. The results obtained from the theoretical model, which has been developed using MATLAB code with an iterative process, are compared with experimental data, obtaining relative error smaller than 6 %. Once the temperature of the air that goes out of the collector is known, another mathematical model is developed to calculate the drying capacity of the heated airflow that is going to dry the agricultural products. The Newton-Raphson numerical method is used to solve the equations. The drying capacity of the heated airflow shows how much water, the airflow that runs through the drying chamber, is able to take out from the products. From this concept, the drying effectiveness is defined on the basis of the improvement produced by the heated airflow in the drying process compared to the environment. In addition, the drying capacity and the drying effectiveness have been confirmed for two individual cases, and after this improvements needed to increase them were suggested. Finally, parametric analysis was done, it was based on a particular case settled to evaluate the variations in designing conditions and operating conditions on the functioning of the collector, establishing one of the variables. The results show that the outlet temperature grows with the length or width of the collector, as the residence time increases. At the same time, this temperature rises for small airflow rates because it is not necessary to heat as much air, and it also rises for small cross sections of the collector due to the increase of the convection coefficient. The outlet temperature of the air at the exit rises up as the ambient temperature and solar radiation augment; nevertheless, this temperature decreases with the wind speed because it causes thermal losses. As for the collector performance, the results show an important improvement when the collector is working with high airflow volumes; however, this doesn‟t improve the outlet temperature nor drying effectiveness because there is a limit value of airflow rate above which the results don‟t improve anymore. Furthermore, the solar radiation, the environmental relative humidity and the size of the collector, have positive impact on drying effectiveness; whereas, higher environmental temperature or wind speed, worsen the drying effectiveness. This study allows to adjust the collector parameters in order to ensure required temperatures for the drying of agricultural products guaranteeing their quality.