Modelo de secadero solar.

Transcripción

1 18 III. Modelo de secadero solar. III.1 Introducción El secado es una operación básica que consiste en reducir la humedad de un producto cualquiera, de forma que el producto final presente unas características diferentes a las del inicial. El secado de subproductos para una utilización posterior, como por ejemplo combustibles, materia prima de procesos, etc., conlleva elevados consumos de energía. Esta operación puede hacerse: Por evaporación o vaporación con ayuda de calor, este método es llamado secado térmico mediante aire caliente, radiación solar Mediante otros procesos físico-químicos, como es el caso de liofilización, ósmosis, adsorción, congelación, etc. Por extracción de agua a través de medios mecánicos (presión, vibración, filtrado, centrifugación ). El secado térmico es el sistema más habitual y utilizado de secado de subproductos, es un proceso simultáneo de transferencia de materia y energía en el que se produce: Transferencia de calor desde el agente secante al producto. Transferencia de materia desde el interior del producto hacia la superficie y desde la superficie al gas secante que le rodea. Además de estos procesos simultáneos, se debe considerar que a medida que varía la humedad en el producto y en el agente secante, también lo hacen las propiedades de estos productos. En particular, cuando se requiere de biomasa con fines energéticos, la etapa de pretratamiento más importante es el secado. Esto se debe a diferentes motivos, siendo los más importantes los siguientes: Aumento de la eficiencia del proceso y disminución del tamaño de los equipos. Combustibles con humedades entre 35% y 70% hacen variar la eficiencia del equipo entre un 75% y un 50%, respectivamente, en cuanto el tamaño de los equipos este puede variar con respecto al combustible seco entre 1,2 y 2,2 veces. Disminución de requerimientos de energías auxiliares. Descenso en el consumo del combustible. Reducción de las emisiones al ambiente. Uno de los principales motivos para que se den las ventajas anteriores en los combustibles con bajo grado de humedad es el aumento de la temperatura de la llama en la combustión de dichos combustibles. Esto se debe a que con el combustible húmedo parte del calor de combustión es utilizado para evaporar el agua del combustible, mientras que con el

2 19 combustible seco todo el calor de combustión se utiliza en calentar el aire y los productos de combustión. La clasificación de los secaderos se puede hacer atendiendo a diferentes parámetros. Todos los sistemas de secado, en primer lugar, se pueden clasificar de acuerdo al rango de temperaturas de operación, secaderos de alta o baja temperatura. Convencionalmente en la industria y de forma general se utilizan los secaderos de alta temperatura con combustibles convencionales, mientras que los secaderos de baja temperatura utilizan combustibles biomásicos o energía solar. Otras clasificaciones menos habituales son: Según el tipo de propagación del calor: convección, conducción y radiación. Según la presión utilizada en el proceso: vacío o atmosférica. Según el agente desecante: aire, vapor sobrecalentado o gases procedentes de un proceso anterior. Según la disposición de las corrientes: paralela, contracorriente, transversal. Según la forma de aportación del calor: continua o discontinua. Según disposiciones especiales: bandeja, cilindros, tambores, túneles, cintas Según el tiempo de residencia: corto(< 1 min), medio (1-60 min) o alto (> 60min). III.2 Secado solar El secado natural ha sido utilizado desde tiempos inmemorables para secar una gran variedad de productos. Sin embargo, para el secado a escala industrial este sistema presenta ciertas limitaciones, como son la necesidad de grandes superficies, dificultades en el control del proceso, etc. Con objeto de aprovechar los beneficios de la fuente solar se han realizado numerosos intentos en los últimos años para el desarrollo de secaderos solares en productos agrícolas y forestales. Las principales ventajas del secado solar son: Desde el punto de vista medioambiental, la energía utilizada es la radiación solar, que es una fuente no contaminante, renovable y que puede utilizarse a escala local. Además el coste y la rentabilidad de la instalación vienen condicionados en gran medida por las circunstancias geográficas que determinan la intensidad de radiación incidente y el número de horas de sol. Esto se debe a que en aquellas zonas donde estos factores sean altos, por ejemplo, Andalucía, la evaporación se produce con mejor eficiencia. Los principales inconvenientes del secadero solar son: El carácter periódico, variable y no predecible con exactitud de la radiación solar. La baja densidad energética de la radiación solar, que conlleva a la necesidad de superficies de gran tamaño.

3 20 III.2.1 Tipos de secaderos solares. Existe una gran variedad de sistemas de secado solar, que se engloban dentro de los secaderos de baja temperatura. Así, los sistemas solares de secado se pueden clasificar, según la forma de circulación del aire desecante, en dos grandes grupos: Sistemas solares activos o de convección forzada: incorporan elementos externos, como ventiladores, para mover el aire utilizado para la reducción de humedad del producto. Pueden ser, a su vez, sistema todo-solar, en los que el aporte energético se obtiene en su totalidad de la radiación solar, o sistemas híbridos, para los que además de la radiación solar se utiliza una fuente de energía auxiliar. Sistemas solares pasivos o de convección natural: no incorporan elementos para forzar la circulación del agente desecante, produciéndose este movimiento por la variación de densidad del mismo provocada por la diferencia de temperaturas. A su vez, se pueden clasificar en tres subconjuntos atendiendo a la disposición de los componentes del conjunto y al modo de utilización de la energía solar: Secaderos solares de tipo integral o directo: en ellos, la radiación solar se recoge únicamente en la cámara de secado. Secaderos solares de tipo distribuido o indirecto: disponen de un colector solar que capta la energía de radiación y la transmite al aire, provocando su calentamiento. Secaderos solares mixtos: la radiación solar se transmite conjuntamente a un calentador solar y a la cámara de secado. A continuación se describe de forma más detallada el caso de secadero solar activo de tipo integral por ser el caso de estudio. Los sistemas solares activos dependen sólo parcialmente de la energía solar, ya que emplean la energía solar como aporte de calor y la energía eléctrica para los ventiladores utilizados en la convección forzada del agente desecante. En todas las posibles situaciones de secaderos solares activos, se consigue en distintas proporciones una reducción del consumo de energía convencional. Estos dispositivos son más efectivos y fáciles de controlar que los secaderos pasivos, aunque hay que considerar el uso de electricidad para los ventiladores lo que conlleva un aumento en los costes de operación y mantenimiento. Por otro lado, es importante destacar que los secaderos solares activos de tipo integral son sistemas en los que la unidad de recepción de la radiación solar es la propia cámara de secado. III.2.2 Parámetros de evaluación de secaderos solares. Los parámetros más significativos que influyen en el funcionamiento de un secadero solar son:

4 21 Las características del aire de secado: temperatura, humedad relativa y caudal másico. Las propiedades del producto a secar: cantidad total, contenido de humedad inicial y final, su tamaño, distribución Variables dimensionales del recinto de secado: dimensiones físicas, configuración, En cuanto al secado de subproductos para una utilización energética posterior, los parámetros de mayor importancia en la evaluación de los secaderos solares son los siguientes: Características físicas del secadero: - Tipo, forma, tamaño, dimensiones, etc. - Capacidad de secado y densidad de carga. - Área de transferencia. - Sistema de carga y descarga del producto. Variables sobre el funcionamiento térmico: - Tiempo y ratio de secado. - Temperatura y humedad relativa del aire desecante. - Flujo másico de aire. - Eficiencia del secadero. III Dependencia de la eficiencia con algunos parámetros. Parámetros físicos del secadero. El tipo de secadero, sus posibilidades de operación, los materiales de cada componente, etc. son aspectos importantes a considerar en el diseño de los dispositivos de secado. El tamaño del secadero, es habitualmente un índice directo de su capacidad de secado, es decir, a la cantidad de producto que es posible secar en cada operación de carga. Para un dispositivo concreto, la capacidad de secado varía con el tipo de producto, cantidad de humedad que hay que extraer y tamaño de la cámara de secado. Por otro lado, la densidad de carga determina la capacidad de un secadero para un producto específico, es importante no sobrecargar el secadero. La experimentación para cada tipo de secadero y producto es siempre necesaria para obtener condiciones óptimas sobre estos aspectos. Temperatura y humedad relativa del aire desecante. Incrementos de la temperatura del aire provocan un aumento en la capacidad de secado en dos sentidos. Por un lado, el aire presenta una mayor capacidad para extraer la humedad del producto y por otro lado, al calentar más el producto se aumenta su presión de vapor. Sin embargo, existe una limitación en el aumento de la temperatura correspondiente al aumento de pérdidas de calor en el sistema.

5 22 En lo que respecta a la humedad relativa, la capacidad desecante del aire puede aumentarse mediante la deshumidificación o el calentamiento de este. Caudal másico. Con el aumento del flujo del aire disminuye la temperatura interior de proceso, sin embargo, la eficiencia del secado puede verse afectada negativamente debido a la posibilidad de que el aire no esté el tiempo suficiente en contacto con el producto para provocar la desecación. Por otro lado, un flujo de aire insuficiente generalmente produce un aumento de la temperatura del mismo, pero da lugar a una extracción de la humedad más lenta.