Simulación de secadores solares tipo gabinete en función del colector solar y el conducto de extracción

Un colector solar transforma la energía solar incidente en otra forma de energía útil. Difiere de un intercambiador de calor convencional en que en éstos se realizan intercambios térmicos entre fluidos con elevados coeficientes de transferencia térmica, y en los que la radiación es un factor sin apenas importancia; en un colector solar, la transferencia térmica se realiza desde una fuente energética, (el Sol), a un fluido, sin concentración de energía solar, por lo que el flujo incidente puede ser del orden de 1 kW/m² variable con una serie de parámetros.

El análisis de los colectores solares implica problemas particulares de flujos de energía, bajos y variables, así como una gran relevancia de los fenómenos de radiación. En los colectores de placa plana, la superficie que absorbe la radiación solar es igual a la superficie que la capta. En la actualidad es posible diseñar colectores de placa plana para trabajar con temperaturas de placa absorbente comprendidas entre 40 °C y 130 °C. Estos colectores utilizan tanto la radiación solar directa como la difusa, no requieren de sistemas de seguimiento solar y prácticamente no precisan de mantenimiento (López, 2011; Yuste, 2012).

Estos elementos tienen la capacidad de aprovechar la radiación solar para el calentamiento de un fluido. El tipo de radiación se clasifica según como llegue la luz solar a la superficie de la tierra, puede ser en tres tipos diferentes: Directa, Dispersa o Difusa y Albedo.

Las geometrías de estos elementos encontrada en la bibliografía no difieren en cuanto a su forma, ya que todos siguen un patrón rectangular donde sus planos opuestos son paralelos y los consecutivos son perpendiculares.

Las tipologías básicas de colectores solares calentadores de aire son cuatro, diferenciadas por el lugar por donde fluye el aire en contacto con la placa colectora de radiación solar:

La placa absorbedora puede ser lisa, corrugada con perfil diente de sierra o bien acanalada con perfil sinusoidal. Estas dos últimas son preferibles a la plana, ya que, a igual tamaño de cubierta transparente, poseen mayor área para la transferencia de calor. Los colectores de doble flujo paralelo y de doble paso en contracorriente se desarrollaron para aumentar el contacto entre la placa absorbedora y el aire circulante. Estos colectores tienen eficiencias instantáneas y diarias superiores a los de paso simple. Otra forma de aumentar el contacto entre la placa absorbedora y el aire a calentar incorporando aletas rectangulares adheridas a la placa absorbedora perpendiculares a la dirección del flujo (Laborde y Williams, 2016).

Los procesos de diseño y dimensionamiento de colectores solares deben atender la necesidad de incrementar las tasas de flujo de calor sin que esto signifique un incremento desproporcionado de las pérdidas por fricción (Bracamonte y Baritto, 2013).

El empleo de herramientas informáticas para la simulación de colectores solares, tienen una gran importancia en el incremento de la eficiencia en el diseño. Como datos iniciales se toman las características físicas y meteorológicas típicas de la localidad de Güines, Mayabeque, Cuba, ubicada en las coordenadas geográficas 22°34’, 23°12’ de latitud N y los 82°28’, 81°40’ de longitud W y las características típicas de un colector solar de placa plana para calentamiento de aire.

Por lo que el objetivo del presente estudio es determinar, para un secador solar tipo gabinete, la mejor combinación entre seis variantes propuestas de dos geometrías para el colector solar y tres disposiciones del conducto de extracción de aire, descritas más adelante.

Durante el secado de productos agrícolas empleando secadores solares, se debe mantener la temperatura del aire de secado sobre los 40 ºC. Teniendo en cuenta que, si el contenido de humedad del lote de producto a secar es mayor al 18% se aconseja que la temperatura del aire de secado no exceda los 35ºC (Moratinos, 2012). En este sentido Bird, (2014) planteó que la temperatura para el secado de productos agrícolas varía entre 35^oC y 45^oC, dependiendo del tipo de producto, la variedad, humedad y las condiciones ambientales. Mientras más alto es el contenido inicial de humedad, más alta es la susceptibilidad del producto a sufrir pérdidas de calidad durante el secado. Por lo que es recomendable secar a temperaturas menores de 40^oC. Cuando desciende la humedad por debajo del 20% las temperaturas de secado se pueden incrementar hasta 45^oC para lograr un porciento de humedad entre el 10% y 14% (Bird, 2014).

Para lograr estas condiciones de secado se deben diseñar secadores solares que logren incrementos de temperatura que no comprometan la calidad del producto. Por lo que para el diseño de estos es fundamental tener en cuenta las propiedades y características de los elementos que lo conforman, teniendo en cuenta su geometría y los materiales empleados para su construcción.

La utilización de colectores solares térmicos integrados a secadores solares de productos agrícolas es cada vez más común. En la tabla 1 se detallan las partes del secador con las características de los materiales empleados en la simulación. Inicialmente se determinó la geometría de las variantes de estudio con el objetivo de determinar la más óptima, en la Figura 1 se observa una vista isométrica de las seis variantes a analizar con las principales dimensiones.

Para determinar las dimensiones aproximadas de un colector solar, con el propósito de que este logre incrementar la temperatura del aire necesaria para un secador solar a baja temperatura, se realizó una búsqueda en la literatura sobre el diseño de colectores solares para el secado de productos agrícolas y para ello se propone la siguiente metodología:

Una vez definida la masa de producto $(W_0, kg)$ a secarse y conociendo el contenido inicial ( $M_{wb1},\%$ ) y final ( $M_{wb2}, \%$ ) de humedad es posible determinar la cantidad de agua a retirar del producto ( $m_w, kg$ ) por unidad de tiempo teniendo en cuenta las características psicrométricas del aire, mediante la siguiente ecuación (Díaz et al., 2011; Akoy et al., 2006).

Conociendo la cantidad de humedad que se desea eliminar, puede calcularse el flujo másico de aire que debe pasar a través del lecho del producto para remover el exceso de humedad. El consumo de aire necesario está dado por la ecuación:

donde: m _a : es el consumo de aire seco en kg/h; ω ₁ : Humedad absolutas del aire a la entrada del colector en unidades de kg de agua por kg de aire seco; ω ₂ : Humedad absolutas del airea la salida del colector en unidades de kg de agua por kg de aire seco.

Existen una serie de cálculos que permiten conocer el consumo de energía necesario para la eliminación de determinada cantidad de agua en un producto. Varios autores han descrito y utilizado ecuaciones necesarias para la obtención de estos elementos. Para ello es necesario conocer la cantidad de agua que va a ser eliminada del producto en un tiempo determinado. Dicho resultado puede ser calculado tanto en términos de base seca como en base húmeda. La siguiente ecuación muestra la forma de realizar este cálculo (Díaz et al., 2011; Jiménez, 2012).

Conociendo la masa de agua a evaporar y teniendo en cuentas la humedad y la temperatura promedio del lugar, se determina la energía necesaria para evaporar el exceso de humedad $\left(Q_a;W\right)$ (Díaz et al., 2011; Akoy et al., 2006; Vásquez et al., 2019; Haro et al., 2019; García-Valladares et al., 2019)

donde: $h_1 y h_2$ son la entalpía del aire a la entrada y la salida del colector en kJ/kg de aire respectivamente.

Conociendo la cantidad de calor ( $Q_a,W$ ) necesaria para la evaporación del agua del producto y la cantidad de energía solar de la región se puede determinar el área del colector solar mediante la siguiente ecuación:

donde: A_c: área de captación, m²; $I_t:$ radiación solar, W/m²; $\eta :$ eficiencia del colector (Akoy et al., 2006; Vásquez et al., 2019).

Para la análisis y evaluación de la transferencia de calor combinando todas las fases del análisis se empleó el entorno CAD en 3d SOLIDWORKS Flow Simulation mediante el cual se analizó la distribución de la temperatura en las áreas del fluido y los sólidos. Teniendo en cuenta los procesos físicos de conducción de calor, convección de calor, transferencia de calor conjugada entre fluidos, materiales sólidos circundantes y radiación, calculando los tres modos de transferencia de calor en 3D: conducción, convección y radiación, con el objetivo de analizar su eficiencia desde el punto de vista térmico y predecir la caída de presión en las variantes propuestas.

donde: h: es el coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m² . $℃$ ; $A_s$ : área superficial a través de la cual tiene lugar la transferencia de calor por convección, m; $T_s:$ temperatura de la superficie, $℃$ ; $T_{\infty }:$ temperatura del fluido suficientemente alejado de esta superficie, $℃$ .

donde: la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica del material, W/m°C, que es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. En el caso límite de $\Delta x$ → 0, la ecuación que acaba de darse se reduce a la forma diferencial.

donde: ε es la emisividad de la superficie. La emisividad cuyo valor está en el intervalo 0 ≤ ε ≤ 1; σ= 5,67 x 10^-8 W/m²K⁴, es la constante de Stefan- Boltzmann. La superficie idealizada que emite radiación a esta razón máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por este es la radiación del cuerpo negro.

La razón neta de la transferencia de calor por radiación entre dos superficies se da por

El rango de estudiado para el diseño del colector solar abarcó las posibles dimensiones prácticas que pudiera adoptar un colector solar. Para fines referenciales puede verificarse que si se fija el valor de la temperatura ambiente en 20°C y la intensidad de radiación solar en 900 W/m² (valores representativos en regiones tropicales), el rango de flujo de masa estudiado estaría acotado entre 0,002 y 0,03 kg/s. Mientras que la velocidad del viento asociado al factor de pérdidas de calor estaría entre 0,5 y 0,7 m/s, valores que se registran comúnmente en espacios abiertos (Bracamonte y Baritto, 2013)

Las variantes obtenidas estarán formadas por combinaciones entre dos colectores solares (uno con cristal y superficie captadora paralelas) utilizado en las variantes 1, 3 y 5 (colector A) y otro con cristal y superficie captadora no paralelas con un ángulo de 7^o de inclinación entre ambas) utilizado en las variantes 2, 4 y 6 (colector B) en combinación con tres disposiciones para el conducto de extracción de aire, el primero con extracción central (a) el segundo con extracción a la derecha (b) y el tercero con extracción a la izquierda (c) como se muestra en la Figura 1.

Una vez realizada la simulación para cada variante se seleccionaron los datos de temperatura máxima de los sólidos (Tmáx) y la temperatura máxima del fluido (Tmáx Fluido) caloportador (aire). Al realizar una comparación entre las variantes se puede observar que las variantes 2, 4 y 6 alcanzan como mínimo 18 $℃$ por encima de las variantes 1, 3 y 5 llegando hasta los 119,9 $℃$ en la variante 4. Al analizar el comportamiento (Tmáx fluido) las variantes que logran las temperaturas más altas son las 2 y la 4 superando esta última los 66 $℃$ . Estos resultados demuestran que al emplear el colector con la abertura de salida igual a la abertura de entrada de la cámara de secado se logran temperaturas más altas y una mejor distribución de las mismas en la cámara de secado, como se puede observar en la Tabla 2

En la Figura 3 y 4 se muestra una distribución de temperatura del fluido y de los sólidos respectivamente. Observándose que a lo largo del colector la diferencia de temperatura entre la placa de absorción y el flujo tiende a disminuir, mientras que la diferencia de temperatura entre la placa de fondo y el flujo tiende a aumentar, pero en menor proporción. Este comportamiento se repite en todos los casos estudiados, observándose que, a medida aumenta el flujo de aire, la diferencia de temperatura entre la placa de absorción y el flujo se hace más pequeña, aun cuando el calentamiento experimentado por el fluido y las paredes del colector es menor. Lo contrario ocurre para valores menores de flujo de aire, donde se mantiene una diferencia de temperatura apreciable a la salida del colector y un mayor calentamiento tanto de la placa de absorción como del flujo de aire.

Las temperaturas de la cubierta de cristal y la placa absorbedora del colector varía entre los 60 $℃$ y los 35 $℃$ respectivamente con una diferencia de 25 $℃$ a la entrada entre ambas superficies. Este mismo comportamiento de las temperaturas ocurre a lo largo de la superficie interna del colector y del fluido, incrementando tanto en cristal colector como en la placa absorvedora los valores de temperatura hasta los 76 $℃$ y 119 $℃$ , respectivamente con una diferencia de 43 $℃$ a la salida entre ambas superficies. El incremento de la temperatura que se obtuvo tanto en la superficie del colector como en la placa absorbedora, logra incrementar la temperatura del fluido hasta los 31 $℃$ , siendo 11 $℃$ superior a la temperatura ambiente (20 $℃$ ) utilizada en la simulación.

Mediante el empleo del sistema informático SolidWorks, se pudo determinar que de las seis variantes de estudio la número cuatro obtuvo mejores resultados, logrando un incremento promedio de la temperatura en la cámara de secado de 11 $℃$ con respecto a la temperatura ambiente (20 $℃$ ) utilizada en la simulación de manera homogénea, estando dentro de los valores recomendados en la literatura