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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería Mecánica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Rediseño de un Secador de Moldes de Yeso
Presentada por
Karla María Aguilar Castro Ing. Químico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez
Como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
Director de tesis: Dr. José Jassón Flores Prieto
Co-Director de tesis:
Dr. Martín Eduardo Baltazar López Cuernavaca, Morelos, México. 05 de Diciembre de 2008
cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería Mecánica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Rediseño de un Secador de Moldes de Yeso Presentada por
Karla María Aguilar Castro Ing. Químico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez
Como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
Director de tesis: Dr. José Jassón Flores Prieto
Co-Director de tesis: Dr. Martín Eduardo Baltazar López
Jurado:
Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Presidente Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor– Secretario
Dra. Ivonne Chávez Chena –Vocal Dr. José Jassón Flores Prieto – Vocal suplente
Cuernavaca, Morelos, México. 05 de Diciembre de 2008
ÍNDICE
Índice
Pàg.
Lista de Figuras. iv
Lista de Tablas. vi
Nomenclatura. vii
Resumen. ix
Abstract. xi
Pàg.
CAPÍTULO I. Introducción.
1.1 Antecedentes y motivación. 2
1.2 Revisión bibliográfica. 5
1.2.1 Tipos de secadores y cinética de secado. 5
1.2.2 Selección y evaluación de secadores. 9
1.2.3 Diseño de secadores. 12
1.2.4 Instrumentación. 16
1.2.4.1 Sensor de humedad. 16
1.2.4.2 Sensor de temperatura. 17
1.2.4.3 Sensor de flujo másico. 18
1.2.4.4 Sensor de radiación solar. 19
1.2.5 Conclusión de la revisión bibliográfica. 19
1.3 Objetivo general. 21
1.4 Estructura de la tesis. 21
CAPÍTULO 2. Modelo físico y modelo de evaluación térmica del secador.
2.1 Marco teórico. 23
2.1.1 Física del secado. 23
2.1.2 Períodos de secado. 25
2.1.3 Secadores convencionales y secadores solares. 27
2.2 Modelo físico. 29
2.3 Modelo de evaluación térmica del secador. 30
2.3.1 Cinética y constante de secado. 31
i
ÍNDICE
2.3.2 Desempeño del sistema de secado. 32
2.3.3 Eficiencia del sistema de captación solar. 32
2.3.4 Eficiencia del sistema de calentamiento de agua. 33
2.3.5 Eficiencia del sistema de calentamiento de aire. 33
CAPÍTULO 3. Diseño del secador.
3.1 Metodología de diseño del secador. 36
3.2 Revisión y evaluación del Prototipo 1. 38
3.2.1 Revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales
del secador prototipo 1.
38
3.2.2 Evaluación y análisis del desempeño del Prototipo 1. 40
3.3 Propuestas de nuevas alternativas funcionales 42
3.3.1 Tiempos y movimientos. 42
3.3.2 Homogenización en el secado. 43
3.3.3 Aprovechamiento de la energía solar. 44
3.3.4 Mejoramiento del sistema de captación solar. 46
3.3.5 Análisis de la estructura física del Prototipo 1. 50
3.4 Resultados de la revisión, evaluación y propuesta de nuevas alternativas
funcionales del Prototipo 1.
51
3.5 Aplicación de la metodología de diseño estructurado a las anteriores y nuevas
alternativas funcionales.
53
CAPÍTULO 4. Implementación de las nuevas alternativas funcionales.
4.1 Construcción del Prototipo 2. 62
4.1.1 Mesa de vaciado. 62
4.1.2 Estructura de la cámara. 63
4.1.3 Cubierta de la cámara de secado. 65
4.1.4 Suministro de aire. 66
4.1.5 Salidas de aire. 70
4.1.6 Adaptación del sistema de colectores solares. 71
4.2 Equipo experimental. 72
4.3 Instrumentación y control del sistema de secado. 75
ii
ÍNDICE
4.4 Comportamiento térmico del Prototipo 2. 78
CAPÍTULO 5. Análisis costo-beneficio de implementación de las nuevas
alternativas funcionales.
5.1Análisis comparativo de los secadores. 83
5.1.1 Peso y costo de la cámara. 83
5.1.2 Homogenización en el secado. 87
5.1.3 Aprovechamiento de la energía solar. 89
5.1.4 Mejoramiento del sistema de captación solar. 90
5.1.5 Análisis de la estructura física de los prototipos 1 y 2. 91
5.2 Conclusión del análisis comparativo. 92
CAPÍTULO 6. Conclusiones y recomendaciones para trabajos futuros.
6.1 Conclusiones. 94
6.2 Recomendaciones para trabajos futuros. 96
Bibliografía. 97
Apéndice A. Procedimiento de evaluación del secador. 101
Apéndice B. Metodología de diseño estructurada. 104
Apéndice C. Dibujos de taller del Prototipo 2. 107
Apéndice D. Mapa de diseño de ductos circulares. 111
Apéndice E. Cálculo de incertidumbres. 113
Apéndice F. Manual de operación del Prototipo 2. 120
iii
LISTA DE FIGURAS
Lista de Figuras
Figura Descripción Página1.1 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de cerámica. 3 2.1 Perfil de secado de un sólido. 26 2.2 Clasificación de secadores. 28 2.3 Modelo físico del sistema de secado. 30 2.4 Modelo experimental del sistema de secado. 31 3.1 Diagrama de flujo de la metodología utilizada para el diseño del
nuevo secador. 37
3.2 Diagrama esquemático del sistema de secado solar. 39 3.3 Sistema de secado con suministro de energía solar. 40 3.4 Historia del contenido de humedad promedio de los moldes de yeso. 41 3.5 Localización de los moldes dentro de la cámara de secado. 43 3.6 Historia de la disminución de peso de cuatro moldes en la prueba 2. 44 3.7 Esquema de suministro de energía propuesto para el proceso de
secado del Prototipo 2. 45
3.8 Historia del contenido de humedad de los moldes de yeso, en las prueba 3 y 4.
46
3.9 Energía en MJ de cada módulo del sistema de secado en la Prueba 3. 49 3.10 Energía en MJ de cada módulo del sistema de secado en la Prueba 4. 49 3.11 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso (a) Isométrico y
(b) Vista frontal. 59
3.12 Esquema del ducto de distribución de aire de la cámara de secado de moldes de yeso.
59
3.13 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso (a) Isométrico con tapa abierta, (b) Vista frontal abierta y (c) Vista lateral.
60
4.1 Mesa de vaciado. 62 4.2 Costillas de la cámara de secado. 63 4.3 Unión de las costillas al marco de la estructura de la cámara. 63 4.4 Marco de la estructura de la cámara. 63 4.5 Unión de la estructura de la cámara con la mesa de vaciado. 64 4.6 Instalación de las secciones de soporte de la cámara de secado. 64 4.7 Base de aluminio para los ventiladores. 65 4.8 Sujetador con alambre en zig-zag. 65 4.9 Instalación de la cubierta de la cámara de secado. 66 4.10 Unión de la cubierta superior con las tapas laterales de la cámara. 66 4.11 Soporte para el ducto de aire. 66 4.12 Ducto de aire para pruebas experimentales. 67 4.13 Dispositivo 1 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del
ducto. 68
4.14 Dispositivo 2 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.
69
iv
LISTA DE FIGURAS
4.15 Gráfica de altura y voltaje de los orificios de salida contra longitud del
ducto. 70
4.16 Construcción de las chimeneas para los ventiladores. 70 4.17 Cubierta de las chimeneas de los ventiladores. 71 4.18 Instalación de ventiladores en la cámara de secado. 71 4.19 Deterioro en los colectores solares. 72 4.20 Colectores solares después del mantenimiento. 72 4.21 Cámara de secado, Prototipo 2. 73 4.22 Equipo experimental para el secado de moldes de yeso. 73 4.23 Comportamiento de la humedad relativa del aire en el Prototipo 2,
Prueba 1 con una duración de 8 días de secado. 78
4.24 Comportamiento de la temperatura del aire en el Prototipo 2, Prueba 1 con una duración de 8 días de secado.
80
5.1 Historia del comportamiento de la disminución de peso de seis moldes de yeso ubicados en diferentes posiciones para los prototipos 1 y 2.
88
5.2 Historia de la disminución del contenido de humedad en los moldes de yeso para los prototipos 1 y 2.
88
5.3 Historia del consumo de energía de la cámara de los prototipos 1 y 2. 89 5.4 Eficiencia de los cuatro sistemas evaluados del secador. 90
v
LISTA DE TABLAS
Lista de Tablas
Tabla Descripción Página3.1 Criterios de diseño. 38 3.2 Resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para la Prueba 1. 42 3.3 Resultados obtenidos en la evaluación del Prototipo 1 para las pruebas
2 y 3. 47
3.4 Criterios considerados en el diseño de la cámara de secado. 51 3.5 Declaración de la necesidad, Nivel 1 de la metodología de diseño
estructurado. 53
3.6 Niveles considerados para el diseño de la cámara de secado. 54 3.7 Opciones de evaluación del Nivel 3 de la metodología estructurada de
diseño. 54
3.8 Criterio de calificación para la matriz de evaluación. 55 3.9 Matriz de evaluación del Nivel 3. 56 3.10 Tabla de descripción de los criterios de evaluación del Nivel 3. 57 3.11 Resultados de la aplicación de la metodología de diseño estructurada. 58 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de
secado. 76
5.1 Tabla comparativa de costos de materiales de la cámara de secado. 83 5.2 Tabla comparativa de pesos de materiales de la cámara de secado. 85 5.3 Comparativo del tiempo de secado y constante de secado entre los
prototipos 1 y 2. 91
vi
NOMENCLATURA
Nomenclatura Simbología Descripción Unidades
cA Área de captación solar. m2
Cp Calor específico. J/kg K
G Energía solar global incidente sobre el sistema de captación
solar.
2W m
H Altura. m
lgh Calor latente de vaporización del agua. kJ/kg
ambHR Humedad relativa del aire a temperatura ambiente. %
THR Humedad relativa del aire a la salida del sistema de
calentamiento de aire.
%
CHR Humedad relativa del aire al interior de la cámara de secado. %
k Constante de secado. 1h−
L Longitud. m
m Masa de los moldes de yeso. kg
cm•
Flujo másico de agua en el interior de los colectores. kg/s
Tm Masa de agua contenida en el termotanque. kg
intm•
Flujo másico de aire a la salida del intercambiador de calor. kg/s
remm Masa de agua removida de los moldes de yeso. kg
M Contenido de humedad del producto. %
tM Contenido de humedad en base seca. %
eM Contenido de humedad del producto esperado cuando
alcanza el equilibrio con el aire seco.
%
tm Peso del producto húmedo. kg
dm Peso del producto seco. kg
η Eficiencia del secador. Adimensional
collη Eficiencia del sistema de captación solar. Adimensional
vii
NOMENCLATURA
i ntη Eficiencia del sistema de calentamiento de aire. Adimensional
SCη Eficiencia del sistema de calentamiento de agua. Adimensional
P Potencia. W
ambQ Energía proporcionada por el ambiente. MJ
camQ Energía suministrada a la cámara de secado. MJ
collQ Energía captada por el sistema de captación solar. MJ
EVQ Energía de evaporación. MJ
GQ Energía ganada por la radiación solar en la cámara de secado. MJ
intQ Energía suministrada al intercambiador de calor. MJ
1Q Energía entregada al sistema de calentamiento de aire. MJ
2Q Energía entregada a la cámara de secado. MJ
3Q Energía de la cámara de secado pérdida hacia el ambiente. MJ
1PQ Energía del sistema de calentamiento de agua pérdida hacia el
ambiente. MJ
2PQ Energía del sistema de calentamiento de aire pérdida hacia el
ambiente.
MJ
SCQ Energía almacenada en el termotanque. MJ
ambT Temperatura ambiente. °C
CT Temperatura al interior de la cámara de secado. °C
1CT Temperatura a la entrada del sistema de captación solar. °C
2CT Temperatura a la salida del sistema de captación solar. °C
PCT Temperatura promedio al interior de la cámara de secado. °C
TT Temperatura al interior del termotanque. °C
1T Temperatura del aire a la salida del sistema de calentamiento
de aire.
°C
t Tiempo. h
V Voltaje. V
viii
RESUMEN
Resumen
En la fabricación de cerámica en el Estado de Morelos, la etapa de secado de
moldes de yeso implica una elevada relación del tiempo de la etapa de secado entre el
tiempo del resto de las etapas, la relación puede estar en el intervalo de 10 a 20
dependiendo del tipo de secado que utiliza el cliente, por lo que el secado ha generado
grandes expectativas de optimización para el proceso de fabricación de cerámica en el
gremio.
En este trabajo se presenta el resideño de un secador solar para moldes de yeso,
considerando la reducción de tiempos y movimientos, la homogenización en el secado y
el uso eficiente de la energía. El desarrollo del secador consistió en tres etapas: el diseño,
la construcción y la caracterización térmica. En el diseño se consideraron los
requerimientos y restricciones principales que se utilizaron en un secador preliminar
(Prototipo 1). También, se consideró la experiencia de evaluar la operación del secador,
la reducción de costos de fabricación, la reducción de tiempos y movimientos en la
producción de cerámica, la reducción del peso del secador y el ahorro de energía. Los
requerimientos, las restricciones y las alternativas funcionales que surgieron en el
rediseño del nuevo secador se utilizaron como datos de entrada en una metodología de
diseño estructurada que permitió proponer el nuevo diseño. Las alternativas funcionales
propuestas fueron evaluadas de manera relativa entre ellas mismas para cada
requerimiento. En el caso del desempeño del ducto y la cubierta, las alternativas
funcionales se evaluaron de manera experimental. La evaluación del desempeño térmico
del sistema de secado permitió conocer la constante de secado y la eficiencia térmica de
cada sección del secador.
La evaluación se realizó mediante pruebas al exterior, el colector solar respetando
la norma ANSI/ASHRAE 9386, el sistema de captación solar (SCA) se evaluó
considerando la ganancia de calor en el tanque de almacenamiento, el sistema de
calentamiento de aire se evaluó considerando el volumen de aire calentado y el sistema
de secado considerando la cantidad de agua removida de los moldes. La metodología de
evaluación por secciones utilizada permitió optimizar el funcionamiento de manera
ix
RESUMEN
separada de cada una. El uso de materiales y configuraciones más adecuadas permitió
reducir el costo de fabricación en un 30.6%, también se logró de manera adicional el uso
de la energía solar directa con lo que el consumo de energía del SCA se redujo en un
30%. Por otro lado, un ducto de suministro de aire que pierde su volumen cuando no
opera, permitió mayor maniobrabilidad en la cama de secado y aumentó la homogeneidad
en un 46%. Con respecto al secador solar anterior (Prototipo 1), se mejoró la continuidad
en el secado, se mejoró el tiempo de secado ceramista en un 27.3%, se mejoró la
constante de secado en un 7.8% y se redujo el peso del secador en 51.8%. Por otro lado,
la eficiencia térmica del Prototipo 2 se mejoró en 5% respecto al Prototipo 1. Finalmente,
con la reducción del peso del secador y la nueva estrategia de llenado y vaciado de la
cámara se redujeron los tiempos y movimientos en el secado de moldes de yeso.
x
ABSTRACT
Abstract
Pottery manufacturing in Morelos involves several stages; one of them is the mold
drying stage, which compared to the other stages of the whole process it represents one of
the longest which can be between 10 and 20 times longer, depending on the procedure
followed by the manufacturer; for this reason many expectations among the pottery
wokers union of Morelos have been araisen from this part of the process, focused on the
optimization of pottery fabrication.
This research work presents the redesign of a solar dryer for plaster molds,
focused on reducing time and movements, homogenization in the drying process and the
efficient use of energy. The development of the dryer was set up in three stages: design,
construction and characterization. During the design stage, the requirements and main
restrictions from a previous design (Protype 1) were taken into account. Experience on
evaluating the dryer's operation, reduction on fabrication costs, reduction on time and
movements during the production process, reduction on the dryer's weight and energy
efficiency were also considered. The requirements, restrictions and functional alternatives
arisen during the redesign of the new dryer were used as input data in a structured design
methodology that allowed us to propose the new design. The proposed functional
alternatives were evaluated relatively to each other, for each requirement. For the
performance evaluation of the duct and the cover, the functional alternatives were
evaluated experimentally. The thermal performance evaluation of the drying system
allowed us to know the value for the drying constant and the thermal efficiency for every
section of the dryer.
The evaluation was carried out on outside tests, for the solar collector it was according to
the Standard ANSI/ASHRAE 9386; the solar harnessing system was evaluated taking
into account the heat gain in the storage tank, the air heating system was evaluated
considering the heated air volume, and the drying system with the amount of water
removed from the molds. The applied methodology that was carried out by sections
allowed us to optimize the performance for each section in an independent way. The use
of alternative materials and proper modifications to the configuration reduced the
xi
ABSTRACT
fabrication costs on 30.6%, another achievement was the use of direct solar energy from
which a reduction of 30% on energy consumption was obtained. Additionally an air
supply duct capable to reduce its volume when it is not in operation, let us increase
maneuverability on the drying bed and subsequent increment on the homogeneity of
46%. With respect to the previous solar dryer (Prototype 1), continuity on the drying
process was improved, as well as the drying time by 27.3%, the drying constant was
improved by 7.8% and the weight of the dryer was reduced by 51.8%. On the other hand,
thermal efficiency of prototype 2 was improved by 5% regarding to prototype 1. Finally,
reduction on the dryer weigh and the new strategy for filling up and casting process, the
times and movements of the drying mold process were reduced.
xii
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Capítulo 1
Introducción
En este capítulo se presenta el marco teórico conceptual y las generalidades de esta
tesis, donde se enfatiza sobre tipos de secadores existentes, diseño de secadores, criterios
o parámetros importantes en la selección y evaluación de secadores. Finalmente, se
presenta el objetivo, los alcances de este proyecto y una descripción general de la
estructura de esta tesis.
1
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
1.1 Antecedentes y motivación.
La actividad económica en el Estado de Morelos se divide en varios sectores, como
son: agricultura, ganadería, industria, turismo, comercio y servicio. El sector industrial
forma parte del sector secundario que constituye el 25.75 % de la actividad económica
del Estado (según el Censo de 2000), dentro del sector industrial se encuentra la industria
manufacturera donde destaca la industria textil, la cerámica y la de sustancias químicas
derivadas del petróleo (INEGI, 2006). En la actualidad, el Sector Industrial en el estado
de Morelos se encuentra en una etapa intermedia de desarrollo. En el estado predominan
los pequeños establecimientos industriales de manufacturas, en el ramo artesanal,
alimentos y bebidas, minerales no metálicos y productos metálicos, maquinaria y equipo.
La pequeña y micro industria paulatinamente han incrementado su capacidad de
generación de empleos, sobre todo los talleres de manufacturas de tipo familiar; la
industria de la cerámica del Estado de Morelos es un ejemplo de este tipo.
Los ceramistas en el Estado de Morelos comúnmente realizan el proceso de secado
de moldes de manera artesanal, sin atender de forma considerable la posibilidad de
reducir los tiempos, movimientos y espacios utilizados. En general, el proceso de
fabricación de cerámica consiste en nueve etapas principales, iniciando por la
elaboración del moldes de yeso, pasando por el secado de moldes, llenado y vaciado de
cerámica, remoción y primera cocción de la pieza, decoración, cocción final y finalmente
almacenamiento de la pieza (Figura 1.1). En el proceso una vez que se tienen elaborados
los moldes de yeso y se han secado (paso 1 y 2), los pasos restantes, que van del llenado
de la pasta hasta el empaque y almacenamiento se pueden realizar en un solo día. Sin
embargo, la etapa de secado representa un punto crítico dentro de su proceso de
fabricación, ya que como se muestra en la Figura 1.1 el tiempo puede ser de 10 a 20 días
con cualquier método de secado de los que actualmente se utilizan.
2
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Inicio del proceso
Elaboración de moldes de yeso
Secado de Moldes de
yeso
Llenado Se vierte el barro
líquido en el molde
Secado al sol
(Tiempo ≈ 10 días)
Secado a la sombra
(Tiempo ≈ 20 días)
Secado con desecho de hornos
(Tiempo ≈ 10 días)
1
2
Después de 1 semana del uso de los moldes se sacan del proceso de fabricación para su secado.
3
Se espera a que se forme una capa delgada en el
molde (Tiempo aproximado de
45 a 90 minutos)
4Vaciado Se retira el exceso de barro
líquido de los moldes de yeso
Remover la pieza cerámica (crudo) del molde yeso y limpiarlas para eliminar
imperfecciones
Primera cocción de la pieza cerámica
Aproximadamente a 900°C , después de esta cocción se llama bizcocho
Decoración y vitrificación del bizcoch
Cocción de la pieza final Aproximadamente 1050°C
Empaque y almacenamiento de l
cerámica
Fin del proceso
3
Figura 1.1 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de cerámica.5
6
o7
. 8
a 9
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Los ceramistas para reducir los costos en el secado utilizan espacios sombreados
aireados, utilizando tiempos considerables, también utilizan la exposición directa al sol
y/o la energía de desecho de los hornos. El secado al ambiente es una técnica útil en los
días secos soleados, sin embargo, tiene la desventaja que depende de las condiciones
climáticas, requiere una superficie grande para el secado, requiere de largos tiempos de
exposición al sol provocando consecuentemente degradación acelerada de los moldes por
los rayos ultravioleta. La técnica de secado al ambiente también tiene la desventaja de
cortar la continuidad de la producción, reducir la calidad y la vida útil de los moldes, al
exponerlos a temperaturas mayores de 55ºC o a la radiación solar directa a excepción del
secado a la sombra. El secado en sombra evita el deterioro del producto, sin embargo, es
un proceso lento por lo que el producto está expuesto al desarrollo de hongos que
también acelera la degradación.
Actualmente, en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(CENIDET) se cuenta con un prototipo de secado de moldes que utiliza energía solar, el
cual se desarrolló a solicitud de un grupo del gremio de ceramistas reunidos por
CANACINTRA-MORELOS (Flores, 2006). El prototipo reportado permite reducir el
tiempo de secado de moldes de yeso de 3-4 semanas a una semana respecto del secado al
aire libre, además permite realizar a la vez la etapa de vaciado y secado, lo cual
representa para los Ceramistas una reducción de hasta un 60% en sus tiempos y
movimientos en el proceso de fabricación de cerámica. Con esto, el prototipo se
contempla que pueda reducir los costos de fabricación de la cerámica.
Las contribuciones de este trabajo son un rediseño del primer prototipo de secador
existente en CENIDET, Prototipo 1, ya que se han revisado los procedimientos del diseño
y los resultados de su funcionamiento encontrándose oportunidades para su optimización.
Las oportunidades detectadas se presentan principalmente en: distribución del flujo de
aire dentro de la cámara de secado, utilización del calor de desecho de hornos, utilización
de la energía solar de manera directa, materiales de fabricación y peso del secador entre
otros.
4
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
1.2 Revisión bibliográfica.
Con muy pocas excepciones, la mayoría de los productos de la industria de la
cerámica de hoy sufren el proceso de secado en alguna fase u otra de su proceso de
fabricación, esto debido a que los materiales necesitan tener una humedad particular para
la siguiente etapa en el proceso o para su venta. El proceso de secado se lleva acabo en
secadores, actualmente, cerca de 400 tipos de secadores se han reportado de los cuales
cerca de 100 tipos son los más utilizados.
1.2.1 Tipos de secadores y cinética de secado.
La clasificación para los secadores es muy ámplia, sin embargo, la más general esta
dada por el método con el que se lleva acabo la transferencia de calor, puede ser:
convección, conducción y radiación. Estos secadores a su vez, se subdividen de acuerdo
al tipo de contenedor del secador: charolas, tambor, túnel, aspersión, etc. Es posible
hacer una subclasificación adicional de los secadores respecto a su funcionamiento, esto
es por lote o de manera continua, pero generalmente es innecesario ya que un
determinado secador puede funcionar de ambas maneras. En la actualidad existe una gran
variedad de estudios experimentales y teóricos realizados sobre estudios de secado de
diferentes materiales (frutas, vegetales, cerámicas, materiales de construcción, etc.) con
diferentes secadores. Estos estudios nos proporcionan información sobre el
funcionamiento, el desempeño térmico y la cinética de secado de varios productos.
Ratti y Mujumdar (1997) presentaron el modelado del comportamiento de un
secador de charolas por lote, para camas de rodajas de zanahoria y manzanas, entre otros
productos. El modelo de secado a convección forzada considera las ecuaciones de
conservación de masa y energía en fase sólida y gaseosa, con una velocidad baja de flujo
de aire, partiendo del modelo matemático desarrollado por Ratti (1991). El sistema de
ecuaciones diferenciales parciales se resuelve por diferencias finitas, utilizando el método
de línea por línea. Los resultados de la simulación son comparados con datos
experimentales publicados obteniendo resultados satisfactorios. Los resultados más
importantes muestran que al incrementar el flujo de aire puede reducirse
5
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
considerablemente el tiempo de secado. Sin embargo, los autores consideran importante
evaluar esta factibilidad económicamente.
Vellhuis y Denissen (1997) presentaron un procedimiento para optimizar
secadores industriales para la cerámica. El procedimiento consiste en desarrollar
experimentos de secado en productos del mismo tamaño en un secador a escala de
laboratorio, mediciones de las características del secador y en simulación con software
DrySim (Kemp et al., 2004). DrySim es un programa comercial flexible de simulación en
el cual un usuario puede modelar secadores con los componentes predefinidos. El
parámetro que se optimiza en el estudio es el uso del aire de residuo de hornos. En este
estudio se presentan dos ejemplos, la optimización de una cámara de secado y la
optimización de un secador de túnel. En ambos ejemplos los resultados mostraron que
recirculando los residuos de aire de los hornos en el secador se puede incrementar la
cantidad de producto seco utilizando la misma cantidad de energía, con lo cual se
reduciría el costo de energía.
Misra et al. (2002) presentaron la cinética de secado de diferentes tipos de
cerámicas, tales como: la Alúmina, Bohemita y Plomo Zirconio Titanio (PTZ). El trabajo
experimental establece la utilidad de controlar el secado para obtener cerámica de alta
calidad, lo cual involucra detalles de análisis de velocidad de secado y su correlación con
el encogimiento el cual fue supervisado utilizando una cámara digital. Las cerámicas se
mezclaron con otros componentes y las mezclas se extruyeron en forma de tubos de
100mm a diferentes velocidades y con diferentes diámetros de tubo. En el estudio, de
cada material cerámico se obtuvieron y secaron 35 tubos de pasta de dimensiones
definidas en un período de 27 horas. Después del secado se observó que la Bohemita
presentó el mayor porcentaje de encogimiento (19%) y el PTZ el menor porcentaje de
encogimiento (1%). Los resultados más relevantes de este trabajo indican que el grado de
macro-grietas en la cerámica fue reducido operando con baja humedad relativa. Por otra
parte, el uso de un sistema de secado, junto con el monitoreo de la cámara digital mostró
ser una combinación efectiva de técnicas experimentales en la determinación de las
características de secado de materiales cerámicos.
6
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Babalis y Belessiotis (2004) presentaron pruebas experimentales de secado de higos
en un secador de túnel a escala de laboratorio, para establecer la influencia de las
características del flujo de aire en el funcionamiento del proceso de secado. El secador
utiliza aire ambiente calentado y un equipo de monitoreo continuo. El secador de túnel
tipo bandeja estática puede secar hasta 3kg de producto fresco. La sección de secado
consiste en un soplador centrífugo, una resistencia eléctrica en la sección de
calentamiento de aire, una sección de humectación vapor/aire, sensores de medición y un
sistema de adquisición de datos. Las pruebas de secado se realizaron en un intervalo de
temperaturas de 55-85°C y el flujo de aire de 0.5-3 m/s. El efecto de la temperatura del
aire y la velocidad en las constantes de secado fue determinado mediante el ajuste de
datos experimentales utilizando técnicas de análisis de regresión. En los resultados se
muestra una fuerte influencia de la temperatura del aire y de la velocidad en la primera
etapa de secado (2 horas), así como una influencia poco significante en las etapas de
secado posteriores. También, en los resultados se muestra que el aumento de la velocidad
de flujo de aire en el secador no tiene ningún efecto significativo por arriba de los 2m/s.
Por otra parte, las temperaturas del aire más altas (85 y 75°C) afectan perceptiblemente la
velocidad de secado en las primeras etapas de secado, pero su efecto relativo disminuye
después de un período de cerca de 10-15 horas. Los autores concluyen que la cinética de
secado es significativamente más afectada por la temperatura, manteniendo la influencia
de la velocidad de flujo de aire limitada en el proceso de secado.
Moropoulou et al. (2005) presentaron el estudio del efecto de la temperatura del
aire, humedad del aire y velocidad de aire en el proceso de secado de algunos
materiales de construcción: materiales de piedra, ladrillos y yesos. Los experimentos para
determinar la influencia de variables del proceso en la cinética de secado se llevó acabo
en un secador de aire convectivo con condiciones controladas. Los experimentos de
secado fueron realizados con un tamaño de muestra de cada material de 3x3x3cm3, en
cuatro niveles de temperatura del aire (20, 30, 35 y 40°C), tres niveles de la velocidad de
aire (1, 3 y 8 m/s) y seis niveles de higrometría del aire (30, 40, 50, 60, 70 y el 80%).
Antes del comienzo del experimento las muestras fueron saturadas con agua destilada.
Los resultados mostraron que el contenido de agua del material en equilibrio es afectado
fuertemente por la temperatura y la humedad de aire circundante. En los resultados
7
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
también se muestra que los valores de las constantes del tiempo de secado disminuyen
con la velocidad del aire y aumentan con la humedad del aire en todos los materiales
examinados, con un rango de variación que depende del tipo del material examinado.
Karoglou et al. (2005) presentan un estudio de la cinética de secado de algunos
materiales de construcción, específicamente el estudio del efecto de algunas condiciones
de secado en el progreso del proceso de secado de dichos materiales. En el estudio se
consideraron cuatro diferentes materiales de piedra, dos ladrillos, y seis tipos de yesos
utilizando un secador de aire convectivo con condiciones de aire de secado controlado.
Los experimentos de secado se realizaron con muestras de 3x3x3cm3 de cada material y
antes del comienzo de la prueba, las muestras fueron saturadas con agua sumergiéndolas
en agua destilada. La cinética de secado se llevó acabo en tres niveles de temperatura del
aire (entre 20 y 45°C), cinco niveles de higrometría del aire (entre 10 y 80%) y tres
niveles de velocidad de aire (entre 1 y 8 m/s). En los resultados se muestra que mientras
se aumenta la humedad del aire, la constante de secado disminuye perceptiblemente para
todos los materiales, mientras que un aumento de la velocidad de aire lleva a valores de
constantes de secado más altas. También se muestra que la tasa de secado depende del
tamaño de poro de los materiales, que restringen la difusión del vapor de agua dentro del
material poroso o restringen la circulación del aire.
En esta sección de la revisión bibliográfica puede concluirse que los secadores a
convección forzada son los más comúnmente utilizados en el secado de alimentos,
cerámica y materiales de construcción. El proceso de secado puede llevarse a acabo
suministrando un flujo de aire a diferentes velocidades. Por otra parte en el proceso de
secado de un producto, la cinética de secado es uno de sus parámetros característicos más
importantes, la cual se obtiene monitoreando el contenido de humedad del producto en el
tiempo. Los resultados de los estudios muestran que mientras aumenta la humedad del
aire, la constante de secado disminuye perceptiblemente en el proceso de secado del
producto, mientras que un aumento de la velocidad del aire lleva a valores de constantes
de secado mayores. Entre mayor sea el valor de la constante de secado, el tiempo de
secado se reduce y la eficiencia aumenta. Por otro lado, los resultados de los estudios de
esta sección muestran que al incrementar el flujo de aire puede reducirse
8
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
considerablemente el tiempo de secado, mientras que el incremento del volumen en el
producto provoca tiempos de secado más largos. Sin embargo, los autores consideran
importante evaluar la factibilidad económica del aumento del flujo de aire en el proceso
de secado.
1.2.2 Selección y evaluación de secadores.
La selección de un tipo conveniente de secador se realiza considerando las
características del producto a manipular, la sensibilidad del material a la temperatura,
los límites de temperatura alcanzable con una fuente de calor particular (Mujumdar,
2006). El desempeño de un secador se puede caracterizar de acuerdo a su capacidad o
efectividad energética, la tasa de humedad extraída (kg/h) indica la capacidad del
secador, la tasa de extracción de humedad específica (kg/kw h) define la efectividad de la
energía usada en el proceso de secado.
Schlünder (1982) realizó una clasificación de secadores que abarcan el estado
físico del producto así como el tiempo que el producto permanecerá en el secador (tiempo
de retención). Para tiempos de secado muy breves (<1 min), se utilizan los secadores tipo
flash, aspersión, o de tambor. Para tiempos de secado muy largos (>1 h), solamente son
apropiado los secadores tipo túnel, carro, o los secadores de transportador. La mayoría de
los secadores funcionan en un intervalo intermedio, para lo cual está disponible un
amplio surtido de secadores. El autor también muestra un resumen del tipo de secador en
función del tipo de producto a secar, este último puede ser una mezcla, una pasta, un
producto de filtración, polvos, gránulos, cristales, pellet, material fibroso o material
compuesto.
Fuller y Charters (1997) presentaron el estudio realizado para un secador de túnel
que fue construido y probado en Australia. Un rasgo distintivo del secador es el sistema
de microprocesador usado para el control del extractor. El secador consta de bandejas
rotatorias donde se coloca la cosecha de uva fresca. El aire suministrado al secador es
calentado por tres resistencias eléctricas pequeñas, y el aire húmedo es removido por un
ventilador. El proceso de secado se llevó a cabo en dos etapas, en la primera etapa, la
temperatura alta en el secador se sacrificó para que el flujo de aire a través de la cosecha
9
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
redujera la probabilidad de infestación de mosca (para una humedad en la
cosecha). En la segunda etapa, a cierto contenido de humedad, se empleó un
procedimiento diferente para aumentar al máximo la temperatura en el secador. Usando
las dos etapas en el proceso de secado, el tiempo de operación del ventilador se redujo en
67% comparado con las operaciones continuas del ventilador. Reduciendo la operación
del ventilador se maximiza la temperatura del aire en el secador. Con este proceso el
tiempo de secado se redujo en 40% comparado con el secado bajo el sol. Las
temperaturas más altas se encontraron entre 50 y 60° C, y la temperatura promedio de
operación estuvo en 10°C arriba del promedio de la temperatura ambiente de bulbo seco.
50%⟩
Leon et al. (2002) propusieron un procedimiento de prueba y evaluación de
secadores solares de alimentos, dando la metodología, condiciones de prueba y una hoja
de evaluación de la muestra a secar. Los autores llevaron a acabo una revisión
bibliográfica detallada de los métodos y parámetros utilizados en la prueba y evaluación
de diversos tipos de secadores solares de alimento. Los resultados de la revisión
bibliográfica revelan que en la literatura no hay disponible un procedimiento estándar
para evaluar el funcionamiento de secadores solares de alimentos, ya que en los
diferentes estudios reportados cada autor considerada varias figuras de merito diferentes.
También, los autores destacan que en los estudios encontrados en la literatura, los
parámetros de evaluación que se utilizan son insuficientes y sugieren considerar
parámetros adicionales (uniformidad de secado, requisitos de espacio, facilidad de
construcción, etc.), y mencionan que el uso de estos parámetros facilitaría el comparativo
de diversos secadores solares de alimentos. Como resultado del estudio, los autores
desarrollaron un procedimiento de prueba y evaluación de secadores solares de alimentos
en donde se han incluido los parámetros adicionales propuestos. Adicionalmente, los
autores presentan hojas de evaluación, en donde pueden reportarse las observaciones
durante cada prueba de secado, que junto con los gráficos de las curvas de secado y
consumo de energía de secado podría proporcionar un cuadro completo de los secadores,
facilitando así análisis comparativos futuros.
Gbaha et al. (2007) presentaron el estudio de un secador solar directo con flujo de
calor por convección natural. En este estudio se muestran los detalles de la construcción e
10
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
instrumentación del secador. En el estudio se realizaron pruebas de secado de yuca,
plátanos y mango en rebanadas. Se analiza la influencia de los parámetros significativos
que gobiernan la transferencia de calor y masa, así como la radiación solar incidente, el
flujo total de aire al secador y la eficiencia para evaluar su funcionamiento térmico. En
este estudio, los resultados obtenidos son la cinética de secado y la eficiencia del secador,
de acuerdo a los autores estas son las principalmente figuras de merito utilizadas para
evaluar secadores solares. La eficiencia del secador se puede calcular con la
determinación de los parámetros, como temperatura ambiente, temperatura en la cámara
de secado, el flujo de aire que se suministra al secador y los flujos de calor incidente en el
secador. Lo anterior, con el fin de desarrollar un modelo predictivo y mejorar el
dimensionamiento del Prototipo de secador elaborado. Los resultados obtenidos de este
estudio muestran que la eficiencia térmica es directamente proporcional al flujo másico
de aire en el secador, por lo que la velocidad de secado aumenta con la temperatura y el
flujo másico de aire.
De la revisión bibliográfica de esta sección, puede concluirse que para la selección de
secadores los parámetros que deben considerarse son el tipo de producto que se va a
manipular así como el tiempo que este permanecerá en el secador, siendo la manipulación
del producto a secar una de las consideraciones dominantes en la selección del secador.
Por otra parte, los principales criterios usualmente utilizados para la evaluación de
sistemas de secado solar son la cinética de secado y la eficiencia térmica del secador,
estos criterios permiten desarrollar un modelo predictivo y mejorar el dimensionamiento
del Prototipo de secador elaborado. Sin embargo, algunos autores sugieren considerar
parámetros adicionales en la evaluación de secadores tales como uniformidad de secado,
requisitos de espacio, facilidad de construcción, entre otros; con el fin de facilitar el
comparativo de diversos secadores solares. Finalmente, los resultados de las pruebas de
secado de estos estudios muestran que la eficiencia térmica del secador es directamente
proporcional al flujo másico de aire en el secador, por lo que la velocidad de secado
aumenta con la temperatura y el flujo másico de aire.
11
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
1.2.3 Diseño de secadores.
El diseño implica una serie de pasos que deben cumplirse para obtener resultados
satisfactorios. En la literatura existen varios trabajos que involucran diseño y
construcción de secadores, los parámetros considerados en el diseño varían de autor en
autor, sin embargo, coinciden en algunos puntos como se ve a continuación.
Pangavhane et al. (2002) presentaron el desarrollo de un nuevo secador solar por
convección natural que consta de un calentador solar de aire y una cámara de secado. El
producto sometido al proceso de secado en este estudio fueron uvas. Se construyó e
instrumentó el calentador solar de aire de placa plana y la cámara de secado. El
calentador solar se inclino 45° sobre la superficie y se adaptó a la cámara de secado y
ambos se montaron sobre una estructura a pocos centímetros del piso. Las uvas
recibieron un tratamiento previo antes de entrar a la cámara de secado para mejorar la
permeabilidad del agua, luego fueron cortadas y colocadas en las bandejas dentro de la
cámara. A la par se colocaron uvas en bandejas para secarse a sombra y otras al sol
abierto para comparar el tiempo de secado de los tres métodos. Durante la
experimentación, los datos meteorológicos así como la temperatura interior de la cámara
de secado y la masa de las uvas (para los tres métodos) fueron registrados de 8.00 AM a
5.00 PM cada hora. Los resultados mostraron que el secador solar desarrollado es capaz
de producir una temperatura media entre 50 y 55°C, que es óptimo para la deshidratación
de las uvas así como para la mayor parte de las frutas y verdura. El flujo de aire de secado
aumenta con el aumento en la temperatura ambiente por la fuerza de flotación térmica en
el colector. Los resultaron también mostraron que el secador solar reduce el tiempo de
secado de las uvas en un 43% comparado con el secado a sol abierto. Además los
resultado de la evaluación sensorial y del análisis químico, mostraron que la cualidades
organolépticas de la uva secada en el secador solar eran mejores.
Bennamoun y Belhamri (2003) presentaron el diseño y modelado teórico de un
secador solar por lotes que esta formado por un secador de charolas y un colector solar
para calentar el aire en el proceso de secado. En el estudio se secaron rebanadas de
cebolla, considerando el efecto de encogimiento, con baja incidencia de energía solar. El
12
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
diseño del sistema considera que: requiere poco espacio, facilidad de limpieza y
mantenimiento. Además, se diseñó para que en el caso de que la temperatura del aire del
colector sea menor a 50°C, pueda conectarse un calentador de gas auxiliar para mantener
la temperatura constante. El modelado teórico del secador se realiza mediante balances de
calor y masa globales en la cámara de secado y en el colector, la solución de las
ecuaciones se realizó utilizando el método iterativo, basado en el método de Gauss
Seidel. En el estudio se presentan dos casos: 1) sin calentamiento auxiliar, 2) con
calentamiento auxiliar. En los resultados se muestra que el secado es afectado por la
superficie del colector, la temperatura del aire y las características del producto, donde el
incremento del diámetro del producto provoca mayor resistencia al secado. Además, los
resultados muestran que para secar 25kg de producto en cada charola se necesita un
tiempo de secado de 15 horas. Por otra parte, se encontró que el colector solar por lote
con una superficie de 3m2 permite secar cerca de 250kg de cebolla por día, con una
temperatura del aire en el colector de 50ºC. Los autores concluyen que este sistema de
secado se considera eficaz y barato para productos agrícolas.
Flores (2006) presentó el diseño y construcción de una cámara de secado de moldes
de yeso para la industria cerámica, alimentado con energía solar térmica. Para el estudio
se utilizaron moldes de yeso que se definieron en tres tamaños: chico (14x12.5x15.5cm3),
mediano (21x17.5x19cm3) y grande (40x55x40cm3). Para diseñar y dimensionar el
sistema de calentamiento de agua, para el sistema de secado se utilizo el programa
SCADES (Algoritmo de simulación para Sistemas de Calentamiento de Agua utilizando
Energía Solar) de Olarte (2005). Para obtener las curvas de secado de los moldes de yeso
se realizaron pruebas experimentales en laboratorio considerando el tamaño del molde,
las condiciones de velocidad y dirección del aire, la humedad relativa y la temperatura. El
diseño y dimensionamiento de la cámara de secado se realizó considerando las curvas de
secado de moldes de yeso, los requerimientos y restricciones del cliente y del producto a
secar, considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de temperatura y
humedad de aire, temperatura de los moldes no mayor a 50ºC y la optimización en el
consumo de la energía. Los resultados obtenidos con las pruebas de secado en
laboratorio muestran que después del proceso de humectación al cual fueron sometidas
las muestras se encontró que en promedio se debe extraer 400gr de agua por cada
13
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
kilogramo de molde húmedo. Además, se encontró que suministrando aire a condiciones
constantes pueden obtenerse moldes secos en tres días partiendo de moldes húmedos y
que el tiempo de secado no depende de manera considerable del tamaño del molde, sino
únicamente del porcentaje de agua que se esta removiendo de cada molde. Por otra parte,
con las pruebas realizadas en la cámara de secado diseñada, se encontró que es posible
secar los moldes con energía solar en un lapso de una semana.
Baltazar et al. (2006) presentaron el modelado, diseño y construcción de un
prototipo de secador solar basado en el estudio desarrollado por Flores (2006). El
Prototipo de secador solar se compone de una cámara de secado para moldes de yeso y
sistema de abastecimiento de energía solar térmica (colector-tanque). La metodología de
diseño del Prototipo de secador esta basada en la identificación de los parámetros críticos,
requerimientos y restricciones del cliente y producto y en el cuestionamiento de manera
separada de cada una de ellas utilizando una metodología de diseño estructurada. El
sistema de abastecimiento de energía solar térmica se modeló en el programa SCADES.
El modelado en el programa SCADES permitió dimensionar el colector solar, el tanque
térmico, el flujo de agua de la bomba y suministró información acerca de las posibles
temperaturas en el tanque térmico. La información obtenida del modelado virtual fue
empleada para el diseño y construcción del prototipo real acondicionado para el proceso
de secado. La cámara de secado se diseñó para reducir el tiempo de secado de moldes de
yeso en no más de 4 días.
A continuación se presentan algunos documentos sobre metodologías de diseño
empleadas para la solución de problemas de diseño ingenieril:
Wallace y Clarkson (1999) presentaron un documento de introducción a los
procesos de diseño, en el cual se describe una metodología estructurada de diseño. Esta
metodología consta de cuatro fases principales de diseño: entender la necesidad principal,
conceptualizar el diseño, esquematizar el diseño y detallar el diseño. Cada una de estas
fases consta a su vez de sub tareas, que atacan partes específicas del diseño. La
implementación de esta metodología proporciona una solución óptima a la necesidad
planteada inicialmente.
14
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Seyyed K. (2005) presentó un documento introductorio a la ingeniería de diseño,
este documento proporciona información para el diseño en general, basado en las
experiencias del autor. La metodología de procesos propuesta se basa en cinco pasos
principales para la solución de problemas de diseño: primer paso definir el problema,
segundo paso recabar la información pertinente, tercer paso generar múltiples soluciones,
cuarto paso analizar y seleccionar una solución y quinto paso probar e implementar la
solución. Para el cuarto paso, el autor propone matrices de solución en donde las
soluciones generadas son evaluadas de acuerdo a criterios fijados por el diseñador
asignando calificaciones siendo la solución elegida la de mayor puntaje. Finalmente, el
autor recomienda que sí se ha desarrollado una solución original a un problema de
diseño, este sea patentado para proteger los derechos del diseñador. Esta metodología
puede ser aplicada a diversos problemas de diseño.
De la revisión bibliográfica de los trabajos de esta sección de diseño de secadores
puede concluirse que aunque el producto a secar varía de autor en autor, los parámetros
considerados para el diseño de los diferentes secadores son muy similares. La
metodología de diseño de secadores utilizada, en general, se basa en cinco pasos
principales: primero definir el problema, segundo recabar la información pertinente,
tercero generar múltiples soluciones, cuarto analizar y seleccionar una solución y quinto
probar e implementar la solución. Para utilizar esta metodología de diseño, en cada caso
se deben considerar los requerimientos y restricciones del cliente y del producto a secar,
considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de temperatura y
humedad de aire, la sensibilidad del producto a la temperatura y la optimización del
consumo de la energía. Adicionalmente, algunos autores proponen considerar en el
diseño otros parámetros como: espacio disponible, facilidad de limpieza y mantenimiento
del secador. La metodología de diseño y las consideraciones mencionadas anteriormente
se considerarán en el diseño del secador del presente estudio.
15
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
1.2.4 Instrumentación.
La instrumentación del secador es importante debido a que nos permite monitorear
las variables involucradas en el proceso de secado, tales como humedad relativa del aire,
temperatura, flujo másico y radiación solar. Por lo cual, dentro de la revisión
bibliográfica se incluyeron artículos sobre instrumentación, como se ve a continuación.
1.2.4.1 Sensor de humedad.
Chou et al. (1999) presentaron el estudio de poros cerámicos hechos de fibra
cerámica, de caolín y sal de sodio de celulosa metil-carboxil (CMC), como sensores de
humedad. La cerámica porosa se mezcló con diversas proporciones de fibra cerámica,
caolín y una sal de sodio en agua desionizada. Después del secado y la molienda, la
mezcla fue compactada y se formaron placas. Se analizaron cinco muestras con diferentes
características respecto a composición, tamaño de poro, área superficial, porosidad, entre
otros. Alambres de cobre se colocaron en los electrodos para hacer mediciones eléctricas,
de esta manera quedó constituido el sensor de poros cerámico. El sensor fue puesto en un
compartimiento de cristal para mediciones de humedad. La impedancia CA (corriente
alterna) en una frecuencia de 100 hz fue utilizada para medir la resistencia de las
muestras bajo varias atmósferas húmedas. Los resultados muestran que la impedancia
disminuyó rápidamente en un intervalo alto de humedad relativa y viceversa. El área
superficial específica es la principal microestructura para detectar la humedad bajo
condiciones de humedad relativa baja, mientras que el volumen del mesoporo domina
bajo condiciones de humedad relativa alta. En este trabajo se demostró la viabilidad de
una nueva cerámica porosa como sensor de humedad, hecha de las materias primas de
cerámica ordinaria.
Yamazoe y Shimizu (1986) describieron varias clases de sensores de humedad
basados en propiedades eléctricas para la detección de humedad. El trabajo describe
también el principio, fabricación y aplicación de cada uno de los tres grupos de sensores
de humedad: electrolitos, polímeros orgánicos y poros cerámicos. Los autores consideran
que los sensores de humedad deben cubrir los siguientes requerimientos: buena
sensibilidad, respuesta rápida, buena reproducibilidad y no histéresis, durabilidad y larga
16
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
vida, resistencia a los contaminantes, dependencia insignificante de la temperatura,
estructura simple y de bajo costo. Dentro de la gama de sensores descritos en este trabajo
es importante rescatar que los sensores de humedad de poros cerámicos desde el punto
de vista de esfuerzos mecánicos, capacidad de temperatura o resistencia al ataque
químico son los mejores candidatos para sensores químicos. Los resultaron mostraron
que la resistencia del poro cerámico decrece exponencialmente conforme aumenta la
humedad relativa. Estos sensores utilizan la impedancia o capacitancia de los elementos
para la detección de la humedad.
De los estudios anteriores puede rescatarse que los sensores de humedad de tipo
cerámicos son un concepto viable de aplicación. Sin embargo, se requiere más
investigación para aprovechar su potencial y conocer sus limitaciones.
1.2.4.2 Sensor de temperatura.
ANSI/ASHRAE (1986) presenta la norma 41.1-1986 dirigida a los métodos para
medición de temperatura. En esta norma se presentan metodologías para la realización de
la medición de temperatura en componentes de equipos para calentamiento, refrigeración
y aire acondicionado. Los instrumentos que recomienda esta norma para la realización de
medición para la temperatura son: a) termómetro de líquido en vidrio, b) termopares y c)
termómetros de resistencia eléctrica incluyendo termistores. Esta norma contiene técnicas
generales para la medición de temperatura en flujo de fluidos como son aire, agua ó
refrigerantes no volátiles. La norma recomienda para el caso de medición de temperaturas
en fluidos como agua y refrigerantes no volátiles que la precisión del instrumento debe
ser de ±0.1ºC, la tolerancia recomendada durante las pruebas es 0.3ºC y la tolerancia
recomendada para las condiciones de prueba es de 0.1ºC. Todas estas recomendaciones
son aplicables en un intervalo de medición de temperaturas de 1 a 43ºC. También, la
norma recomienda que los elementos o sensores de medición de temperaturas deben ser
insertados dentro de un dispositivo de mezclado y en contacto directo con el fluido para
poder realizar la medición de temperaturas. La calibración de estos sensores se debe
realizar por comparación con un instrumento previamente calibrado por algún instituto de
estandarización y realizar la compensación necesaria en la medición de temperaturas.
17
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
Para la medición de la temperatura el Termistor comúnmente conocido como
LM35, es un sensor de temperatura para el intervalo de -55 a 150ºC, con una
incertidumbre de 0.5ºC. El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el más
común es el to-92 que es de la misma forma que un transistor con 3 pines, dos de ellas
para alimentarlo y la tercera nos entrega un voltaje proporcional a la temperatura medida
por el dispositivo. El LM35 funciona en el intervalo de alimentación comprendido entre 4
y 30V. En comparación con un termopar o un dispositivo de temperatura de resistencia
(RTD) cuya relación temperatura-voltaje es polinomial, un LM35 tiene una relación
temperatura-voltaje de tipo lineal. Este tipo de sensores tienen una disponibilidad alta en
el mercado con relación a los termopares u otros tipos de sensores eléctricos de
temperatura. Su costo de instalación es menor ya que no requiere de elementos
secundarios como temperatura de referencia, y su función no se ve alterada si la fuente no
es constante dentro de su intervalo de alimentación.
±
1.2.4.3 Sensor de flujo másico.
En el año 2001 el grupo de trabajo de Florida Solar Energy Center (FSEC, 2001)
publicó el documento No. 200., revisión 1, en donde se describen las pruebas de calibración
de flujo másico que circula en un colector solar plano por medio de un medidor tipo turbina.
El objetivo de este documento es proporcionar una metodología para obtener mediciones de
flujo másico de agua en el colector solar con un valor constante y con repetitividad (Castillo,
2005).
El medidor de flujo tipo turbina se aplica para medir el flujo de agua. Hoy en día,
los medidores de flujo de turbina axial se utilizan para una variedad de aplicaciones en
las que se requiere precisión y confiabilidad en las mediciones. Un ejemplo de este tipo
de medidor de flujo másico es el Flújometro GPI cuyo intervalo de medición es de 0.5-
30lt/min con una incertidumbre de medición de ± 2.0% de la medición, que es el
medidor de flujo que se utiliza en el experimento de este trabajo. Este instrumento esta
compuesto por un rotor tipo turbina concéntricamente montados sobre un eje cilíndrico
dentro de un alojamiento, a través del cual pasa la corriente del fluido. El eje o eje de los
cojinetes se encuentran suspendido en unos difusores. Por lo tanto, el flujo que pasa a
través de una región anular ocupada por las paletas del rotor, que generalmente son
18
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
planas, se inclinan en un ángulo respecto a la velocidad de flujo incidente y, por tanto, un
par es generado en el rotor. La tasa de rotación, es detectada por un sensor tipo
magnético, y el registro de cada paleta infiere el paso de un volumen fijo de fluido.
1.2.4.4 Sensor de radiación solar.
Un piránometro es normalmente una termopila, compuesta por una serie de
termopares en serie, con uniones alternadas calentada por el sol. Algunos piranómetros
utilizan un sensor fotovoltaico de silicio (celdas solares) para medir la radiación solar.
Estos últimos sensores tienen cero sensibilidad por encima de alrededor de 1,2 µm y de la
respuesta espectral por debajo de 1,2 µm.
ISO 9847 (1992) presenta una metodología experimental para calibrar piranómetros
en campo mediante la comparación con un piranómetro de referencia. En el documento se
presentan dos metodologías que son: método al medio ambiente utilizando la energía solar y
el método al interior utilizando un simulador de radiación solar como fuente. La norma indica
que el piranómetro de referencia debe ser de tipo clase uno y mostrar una alta estabilidad. La
metodología para realizar la prueba de calibración del piranómetro en exteriores señala que
se debe realizar al medio día solar, el piranómetro de referencia y el piranómetro a calibrar
deben de ser colocados sobre una tabla de referencia y orientados al medio día solar.
También, la norma indica que la prueba debe realizarse con cielo claro y que las mediciones
de voltaje en ambos instrumentos deben realizarse cada 10 ó 20 minutos, durante dos ó tres
días. Posteriormente, se desarrolla el análisis de los resultados para corregir el valor de la
constante del piranómetro a calibrar (Castillo, 2005).
1.2.5 Conclusión de la revisión bibliográfica.
Después de la revisión bibliográfica sobre secadores puede concluirse que los
secadores a convección forzada son los más utilizados en secado de alimentos, cerámica
y materiales de construcción. La selección del tipo de secador a utilizar depende del tipo
de producto que se va a manipular así como el tiempo que este permanecerá en el
secador, siendo la manipulación del producto una de las consideraciones dominantes en
la selección del secador. Con respecto al diseño de secadores aunque el producto a secar
varía de autor en autor, los parámetros considerados para el diseño de los diferentes
19
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
secadores son muy similares. La metodología de diseño utilizada en general es la
propuesta por Seyyed K. (2005) y Wallace y Clarkson (1999), la cual se basa en cinco
pasos principales: primero definir el problema, segundo recabar la información
pertinente, tercero generar múltiples soluciones, cuarto analizar y seleccionar una
solución y quinto probar e implementar la solución. Para utilizar esta metodología de
diseño, en cada caso se deben considerar los requerimientos y restricciones del cliente y
del producto a secar, considerando como parámetros críticos: la distribución uniforme de
temperatura y humedad de aire, la sensibilidad del producto a la temperatura y la
optimización del consumo de la energía. Adicionalmente, algunos autores proponen
considerar en el diseño otros parámetros como: espacio disponible, facilidad de limpieza
y mantenimiento del secador. Por otra parte, para la evaluación de sistemas de secado
solar los principales criterios utilizados son: la cinética de secado y la eficiencia térmica
del secador, estos criterios permiten desarrollar un modelo predictivo y mejorar el
dimensionamiento del Prototipo de secador elaborado. Los resultados de los estudios
muestran que mientras aumenta la humedad del aire, la constante de secado disminuye
perceptiblemente en el proceso de secado del producto, mientras que un aumento de la
velocidad del aire lleva a valores de constantes de secado más altas. Por otro lado, los
resultados de los estudios reportados también muestran que al incrementar el flujo de aire
puede reducirse considerablemente el tiempo de secado, mientras que el incremento del
volumen en el producto provoca tiempos de secado más largos. Sin embargo, es
importante evaluar esta factibilidad económicamente. Finalmente, los resultados
muestran que la eficiencia térmica del secador es directamente proporcional al flujo
másico de aire en el secador.
20
INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1
1.3 Objetivo General.
Rediseñar un secador de moldes de yeso considerando el diseño del primer
prototipo que se tiene en funcionamiento en CENIDET, mediante la reducción de costos
de fabricación y optimización considerando el proceso de fabricación de cerámica que de
manera general se aplica en el Estado de Morelos.
1.4 Estructura de la tesis.
En el Capítulo 2 se presenta el modelo físico de este estudio, el principio de
funcionamiento, los principales componentes del sistema de secado y la metodología de
evaluación del secador para determinar sus parámetros característicos. En el Capítulo 3,
se presenta la metodología de diseño del Prototipo 2. En el Capítulo 4, se presenta la
implementación de las nuevas alternativas funcionales, que incluye detalles de
construcción e instrumentación del Prototipo 2. En el Capítulo 5, se presenta un análisis
costo beneficio de las nuevas alternativas funcionales y un análisis comparativo de los
prototipos 1 y 2. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y
recomendaciones para futuros trabajos.
21
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
Capítulo 2
Modelo físico y modelo de evaluación térmica del
secador
En este capítulo se muestran los principios de funcionamiento del sistema de
secado, se describen los períodos de secado y la diferencia entre secado convencional y
secado solar. Por otra parte, se presenta el modelo físico del sistema de secado completo
y se presenta el modelo de evaluación del secador para obtener los parámetros críticos del
sistema de secado: constante de secado, la eficiencia del sistema de captación solar, la
eficiencia del sistema de calentamiento de agua, la eficiencia del sistema de
calentamiento de aire y la eficiencia del sistema completo de secado.
22
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
2.1 Marco teórico.
El exceso de humedad contenida en los materiales puede eliminarse por métodos
mecánicos como son la sedimentación, filtración, centrifugación; o por métodos no
térmicos como son la extracción con solventes, absorción de humedad de algunos gases
por el paso de estos a través de una columna de H2SO4, eliminación de humedad de un
sólido poniéndolo en un recipiente hermético utilizando un agente desecante como sílica
gel o CaCl2, exprimiendo un sólido muy poroso y blando. Sin embargo, la eliminación
más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores
formados, es decir, mediante el secado térmico, donde lo más común es una corriente
gaseosa (Knoule, 1968).
La operación de secado convectivo es una operación de transferencia de masa
debido al contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por
evaporación hacia la fase gaseosa, debido a la diferencia entre la presión de vapor
ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa.
Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y
el proceso de secado cesa.
2.1.1 Física del secado.
Cuando un sólido húmedo se somete a un secado térmico, ocurren dos procesos
simultáneamente (Mujumdar, 2006):
1. Transferencia de la energía del ambiente circundante para evaporar la superficie
húmeda. En este proceso la remoción de agua como vapor de la superficie material,
depende de las condiciones externas de temperatura, humedad del aire y del flujo,
área de la superficie expuesta, y presión.
2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del sólido y su evaporación
subsecuente debido a proceso 1. En este proceso el movimiento de la humedad
interna dentro del sólido, está una función de la naturaleza física del sólido, de la
temperatura, y de su contenido de agua.
23
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
En una operación de secado, cualquiera de estos procesos puede ser un factor
limitante de la velocidad de secado, aunque ambos se presentan de manera simultánea a
través del ciclo de secado. El mecanismo del proceso de secado depende
considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más
fuerte es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el secado, el enlace
de la humedad con el material se altera. Las formas de enlace de la humedad con el
material se clasifican en: químico, físico-químico y físico-mecánico (Kasatkin, 1985). La
humedad ligada químicamente es la que se une con mayor solidez al material en
determinadas proporciones (estequiométricas) y puede eliminarse sólo calentando el
material hasta altas temperaturas o como resultado de una reacción química. Esta
humedad no puede ser eliminada del material por secado. Durante el secado se elimina,
sólo la humedad enlazada con el material en forma físico-química y mecánica. El enlace
físico-químico une dos tipos de humedad que difieren por la solidez del enlace con el
material: la humedad ligada osmóticamente y por adsorción. Sin embargo, la existencia
de estos tipos de humedad especialmente se manifiesta en materiales coloidales y
poliméricos (Kasatkin, 1985).
La humedad más fácil de eliminar resulta la enlazada mecánicamente que a su vez
se subdivide en: humedad de los macrocapilares y microcapilares (capilares con un radio
en la vecindad de 10-5cm). Los macrocapilares se llenan de humedad durante el contacto
directo de ésta con el material, mientras que en los microcapilares la humedad penetra
tanto por contacto directo, como mediante la adsorción de la misma en el medio
ambiente. La humedad de los macrocapilares se elimina con facilidad no sólo por secado,
sino que también empleando métodos mecánicos. El transporte de la humedad dentro del
sólido puede ocurrir por alguno o algunos de los mecanismos siguientes de transferencia
de masa (Mujumdar, 2006):
• Difusión líquida, si el sólido mojado está a una temperatura por debajo del punto de
ebullición del líquido.
• Difusión de vapor, si el líquido se vaporiza dentro material. Este es el principal
mecanismo de transferencia de humedad por vapor en el material. Toma lugar cuando
la dimensión característica de los espacios del aire libre son mayores a 10-7m.
24
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
• Difusión de Knudsen, si el secado ocurre a muy bajas temperaturas y presiones, e.g.,
secado en helada.
• Difusión superficial (posible aunque no está probado). Es un proceso de transporte
atómico superficial que permite que los átomos alcancen posiciones de equilibrio en
la superficie, y tiene gran importancia en procesos como: crecimiento cristalino,
adsorción, evaporación, etc.
• Diferencias hidrostáticas de la presión, cuando la velocidad de vaporización interna
excede la velocidad de transporte de vapor a través del sólido a los alrededores.
• Combinaciones de los mecanismos antedichos.
Es importante considerar que el secado de un sólido está sujeto a cambios durante
su proceso ya que los mecanismos de transporte de humedad podrían cambian con el
tiempo de secado. Por otra parte, se dice que un proceso de secado es óptimo cuando el
tiempo en el que se lleva a cabo es el mínimo, utilizando un mínimo de energía.
2.1.2 Períodos de secado.
La velocidad del secado de una muestra se puede determinar utilizando las
siguientes metodologías:
1. Por medio de una curva de contenido de humedad y tiempo de secado (cinética de
secado).
2. Haciendo una curva de velocidad, considerando la diferencia del contenido de
humedad de dos mediciones dividido entre el período de tiempo entre éstas mismas,
contra contenido de humedad.
La cinética de secado se puede dividir en cinco etapas: i) período de inducción
inicial, ii) período de velocidad constante, iii) período de decaimiento de velocidad, iv)
contenido de humedad crítica y v) contenido de humedad de equilibrio (EMC). En la
mayoría de los casos se cumplen los cinco períodos.
25
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
En la Figura 2.1 se esquematizan los cinco períodos, en una gráfica de contenido
de humedad contra tiempo de un sólido. A continuación se describen cada uno de estos
períodos.
Figura 2.1. Perfil de secado de un sólido.
i) Período de inducción inicial: En este período se inicia el proceso de secado de manera
que el producto se calienta y aumenta la temperatura de la interfase, produciendo una
adaptación del material a las condiciones de secado. A medida que la temperatura
aumente la humedad empieza a evaporarse.
ii) Período de velocidad constante: En el punto B de la Figura 2.1 la temperatura se
estabilizará y permanecerá constante siempre y cuando exista una capa de humedad
remanente en la superficie del sólido. Entre los puntos B y C la humedad de evaporación
de la superficie se reemplaza por el agua de difusión del interior del sólido a una
velocidad igual a la de evaporación.
iii) Período de decaimiento de velocidad: En el punto C de la Figura 2.1, el agua de la
superficie no se reemplazará más para mantener la capa. Pequeñas manchas empiezan a
presentarse y la velocidad del secado comienza a decaer hasta llegar a la humedad crítica.
26
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
El contenido y número de manchas del secado crece y cae la velocidad de secado. El
período de tiempo CD se conoce como primer período de caída de velocidad o período de
secado de superficie insaturado.
iv) Contenido de humedad crítica: En el punto D de la Figura 2.1 conocido como punto
crítico, es el punto donde finaliza el período de velocidad constante. Aquí, el agua de la
superficie del sólido esta totalmente evaporada y la velocidad de secado depende de la
difusión de humedad a la superficie del sólido. Por lo anterior, este punto depende de la
porosidad y del tamaño de partícula del sólido que se esta secando. Entre los puntos D y
E la velocidad de secado cae rápidamente y el período se denomina segundo período de
disminución de velocidad. En el punto E la velocidad del secado es prácticamente cero y
comienza el período de humedad de equilibrio.
v) Contenido de humedad de equilibrio (EMC): En los puntos E y F el sólido se
encuentra con un EMC. El EMC ocurre cuando la presión de vapor de la humedad del
sólido se iguala a la presión de vapor de la atmósfera que lo rodea.
2.1.3 Secadores convencionales y secadores solares.
La clasificación más general de los secadores esta dada por el tipo de proceso
utilizado (lote ó continuo) y por el método con el que se lleva acabo la transferencia de
calor (convección, conducción y radiación). En el caso del método de transferencia de
calor por conducción se divide en secado al vacío o secado a presión atmosférica. A su
vez, se subdividen de acuerdo al tipo de contenedor del secador: bandejas, rotatorio,
túnel, aspersión, etc. En la Figura 2.2 se muestra un resumen de la clasificación general
de los secadores (Mujumdar, 2006).
En los secadores convencionales, la energía para lograr la evaporación de la
humedad del material se suministra generalmente por un combustible o con electricidad.
Se requiere aproximadamente 1 kw h⋅ para eliminar 1kg de agua. Cuando se habla de
secado solar se refiere al uso de la radiación solar como fuente de energía para el proceso
de secado. A diferencia de los secadores convencionales que pueden operar de manera
continúa, los secadores solares debido a su fuente de energía intermitente dependen de las
27
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
condiciones de radiación solar para su operación, esto ocasiona que el tiempo de secado
aumente y que la calidad del producto se vea comprometida. Sin embargo, con un
sistema óptimo de captación-acumulación de energía solar los secadores solares pueden
operar de manera continua y en cuestiones de ahorro de energía a largo plazo
generalmente son más rentables.
Los dos elementos básicos de un secador solar son: el colector, donde la radiación
calienta el aire y la cámara de secado, donde el producto es deshidratado por el aire que
pasa. Estos elementos pueden diseñarse de diferentes formas para integrar diferentes
equipos de secado solar, y de acuerdo a su forma de calentamiento puede ser de tres
formas: directo, indirecto y mixto. En el caso del secado solar directo, la radiación solar
incide directamente por la cubierta de la cámara al producto que se seca. En el caso de
secado solar indirecto, el colector y la cámara de secado están separados, la radiación no
incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. Finalmente, el secado solar
mixto es aquel en el que la colección de radiación se realiza tanto en un colector solar
como en la cámara de secado.
Figura 2.2 Clasificación de secadores.
28
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
2.2 Modelo físico.
El secador solar propuesto es un sistema mixto, donde la energía es captada en
colectores solares y en la misma cámara de secado, la energía captada en los colectores es
almacenada para que en un momento determinado se transfiera al secador. La energía
solar utilizada de manera indirecta permite disponer de energía en los momentos cuando
no se presenta radiación solar. El secador solar se divide para su estudio en tres secciones
principales: sistema de calentamiento de agua, sistema de calentamiento de aire y cámara
de secado, los cuales se muestran en la Figura 2.3. El sistema de calentamiento de agua
tiene la función de recibir energía transformarla en calor y suministrar energía térmica
con la mayor continuidad y homogeneidad posible, además permite almacenar energía
térmica para ser utilizada cuando no hay energía solar disponible. El sistema de
calentamiento de aire permite que el fluido de trabajo del sistema de suministro de
energía reduzca la humedad relativa del aire mediante calentamiento. Finalmente, la
cámara de secado tiene la función de captar radiación solar de forma directa y de extraer
la humedad de los moldes utilizando el aire caliente que provee el sistema de
calentamiento de aire.
El sistema solar de calentamiento de agua (colectores-termotanque) funciona
captando una energía, G, en los colectores solares en un área de captación, Ac, y
entregando Q1 al sistema de calentamiento de aire. El sistema de calentamiento de aire
permite extraer calor del sistema de calentamiento de agua para calentar el aire que se
inyecta a la cámara de secado, Q2. La cámara de secado permite captar energía solar
directa, QG, y extraer el contenido de agua de los moldes evaporando QEV con la energía,
Q2, cedida por el intercambiador de calor. El desempeño térmico del sistema de
calentamiento de agua puede definirse como la razón de la energía Q1 entre G, el
desempeño del sistema de calentamiento de aire puede definirse de acuerdo a la razón Q2
entre Q1 y el desempeño térmico del secador puede estar dado por la QEV entre la suma de
Q2 y Qamb. En el sistema de calentamiento de agua, parte de la energía captada se pierde
hacia los alrededores como QP1, en el sistema de calentamiento de aire también existen
pérdidas, QP2. Sin embargo, en el secador existen pérdidas de calor hacia el ambiente, Q3,
y ganancias de calor por los alrededores Qamb y QG, respectivamente. El conjunto de QP1,
29
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
QP2, Qamb, QG y Q3 reducen o aumentan la eficiencia del sistema de secado, normalmente
las pérdidas de calor QP1, QP2 y Q3 reducen la eficiencia, mientras que Qamb y QG durante
el día solar incrementan la eficiencia y durante la noche la reducen.
Figura 2.3 Modelo físico del sistema de secado.
2.3. Modelo de evaluación térmica del secador.
Para evaluar la cinética de secado se propone evaluar la historia del contenido de
humedad del producto, la constante de secado, k, el desempeño del sistema de secado, n,
la eficiencia de los colectores, ncoll, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua,
nSC, y la eficiencia del intercambiador de calor, nint. Para la evaluación de los parámetros
mencionados se propone el siguiente diagrama experimental, donde se muestran las
variables a medir para calcular las figuras de mérito mencionadas, ver Figura 2.4.
30
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
Figura 2.4 Modelo experimental del sistema de secado.
2.3.1 Cinética y constante de secado.
La k se obtiene a partir de conocer la cinética de secado, que a su vez se conoce con
la razón de cambio en el contenido de humedad del producto a lo largo del tiempo, dM/dt.
Para evaluar la cinética de secado se considera la ecuación de capa delgada en una
dimensión, la cual considera que la capa del material es suficientemente delgada o la
velocidad del aire es alta de modo que las condiciones del aire en el proceso de secado
(humedad y temperatura) se mantienen constantes en todas partes del material
(Mujumdar, 2006). Con lo anterior, la cinética de secado puede ser expresada con la
siguiente ecuación:
( ) t edM dt k M M= − − (2.1)
donde Mt es el contenido de humedad del producto en cualquier tiempo y Me es el
contenido de humedad del producto cuando alcanza el equilibrio con el aire. Mt esta
definida con la siguiente ecuación:
( ) d/t t dM m m m= − (2.2)
donde, mt es la humedad del producto a cualquier tiempo por unidad de masa y md es la
humedad del producto cuando se considera seco. Para determinar mt se pesan los moldes
31
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
de yeso durante el tiempo que toma el proceso de secado. Con los datos de peso
registrados se calcula Mt, utilizando la ecuación (2.2).
La constante de secado, k, incorpora las propiedades de transporte en función
exponencial, esta dada en función de la solución de la ecuación (2.1) y se escribe de la
siguiente manera:
( )
t
tMk lnM t
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠ (2.3)
2.3.2 Eficiencia del sistema de secado.
Para evaluar la eficiencia del sistema de secado se considera la cantidad de agua
removida de los moldes de yeso en el tiempo, ; la temperatura de la cámara en el
interior en función del tiempo, T
remm
c(t), para obtener el calor latente de vaporización del
agua, hlg,; el área de colección y finalmente la radiación incidente en el sistema de
colectores. La eficiencia del sistema de secado se evalúa con la siguiente ecuación:
2t
lg1
2
1
( )rem ct
t
ct
m h T dt
A Gdtη =
∫
∫ (2.4)
2.3.3 Eficiencia del sistema de captación solar.
En general, para el cálculo de la eficiencia del sistema de captación solar se
considera el flujo másico que circula a través de los colectores, ; la capacidad calorífica
del agua, Cp; las temperaturas de entrada y salida del banco de colectores, T
m
c1 y Tc2; el
área de colección y la radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se
evalúa con la siguiente ecuación:
32
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
( )
2t
0.70681 0.5981y x= − +
2 11
2
1
c C Ct
coll t
ct
m Cp T T dt
A Gdtη
−=∫
∫ (2.5)
La eficiencia térmica de cada colector esta dada por la ecuación
(Flores, 2006), lo cual se determinó cumpliendo los
requerimientos y procedimientos de las normas ANSI/ASHRAE 93/1986 y del proyecto
de norma PROY-NMX-001-NORMEX-2005.
2.3.4 Eficiencia del sistema de calentamiento de agua.
Para evaluar la eficiencia del sistema de calentamiento de agua se considera la masa
de agua contenida en el termotanque, mT; la capacidad calorífica del agua; la temperatura
promedio en el interior del termotanque en el tiempo, TT(t); el área de colección y la
radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se evalúa con la siguiente
ecuación:
( ) ( )( )
2t
2 11
2
1
TT Tt
SC t
ct
m Cp T t T t dt
A Gdtη
−=∫
∫ (2.6)
2.3.5 Eficiencia del sistema de calentamiento de aire.
Para evaluar la eficiencia del sistema de calentamiento de aire se considera el flujo
másico de aire en el intercambiador, m ; la capacidad calorífica del agua; la temperatura
del aire a la entrada y salida del intercambiador, T
int
amb y T1 respectivamente; el área de
colección y la radiación incidente en el sistema de colectores. La eficiencia se evalúa con
la siguiente ecuación:
( )
2t
11
2
1
int ambt
int t
ct
m Cp T T dt
A Gdtη
−=∫
∫ (2.7)
33
MODELO FÍSICO Y MODELO DE EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR CAPÍTULO 2
Con las ecuaciones mencionadas anteriormente se calculan las eficiencias en el
acoplamiento de las secciones del sistema, con el fin de facilitar la detección de
oportunidades para el mejoramiento del desempeño del sistema de secado completo.
34
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Capítulo 3
Diseño del secador
En este capítulo se presenta la metodología del diseño del secador, la cual se realizó
considerando a) la observación del diseño del primer prototipo, b) los resultados de la
evaluación del desempeño del primer prototipo, c) la propuesta y evaluación de nuevas
alternativas funcionales y d) la reestructuración de la metodología de diseño que
consideran las nuevas alternativas funcionales. El mejoramiento del diseño se verificó
evaluando el secador con las alternativas funcionales propuestas y comparando estas con
el desempeño anterior, utilizando la metodología de evaluación térmica mostrada en la
Sección 2.3.
35
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.1 Metodología de diseño del secador.
La metodología utilizada para el nuevo diseño del secador consta de seis pasos, los
cuales se muestran en la Figura 3.1. El Paso 1 de la metodología de diseño es la revisión
de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1 y la
evaluación del desempeño de este mismo secador. En el Paso 2, se consideran los
resultados obtenidos del punto anterior y se proponen nuevas alternativas funcionales. En
el paso 3, se analizan las alternativas funcionales con la metodología de diseño
estructurada mostrada en la Sección 3.3. Las alternativas funcionales que resultan
factibles en paso anterior, se implementan y evalúan en el Paso 4 como se indica en la
Sección 3.2. En el caso de que la, o las alternativas funcionales no sean factibles se
regresa al Paso 2 y se formulan nuevas alternativas funcionales. En el Paso 5, se realiza
un análisis costo-beneficio con los resultados obtenidos de las pruebas experimentales
una vez que las alternativas funcionales se han implementado y evaluado. Sí el análisis
del paso 5 es satisfactorio las alternativas funcionales se consideran en el diseño del
Prototipo 2, en el caso contrario, en el Paso 6 se analiza su posible optimización. Sí es
posible optimizarlas se hacen las modificaciones necesarias en el Paso 4 y se repite el
Paso 5. Sí no es posible optimizar las alternativas funcionales se regresa al Paso 2 y se
repiten los pasos del 3 al 5 hasta que todas las alternativas funcionales propuestas sean
evaluadas.
Los pasos del 1 al 3 se describen en este capítulo, los pasos corresponden a la
revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1, a
la evaluación del desempeño de este mismo secador y a la propuesta de nuevas
alternativas funcionales. El Paso 4 que corresponde a la implementación y evaluación de
las alternativas funcionales se describe en el Capítulo 4. Finalmente, los pasos 5 y 6 que
corresponden al análisis costo-beneficio y a la optimización de las alternativas
funcionales se describen en el Capítulo 5 de esta tesis.
36
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
1
Si
i=1,N
Si
No
Si
No
No
i=1,N
i=1,N
Revisión de los requerimientos, restricciones
y alternativas funcionales
Evaluacióndel Pr
Propuesta de nuevas alternativas
funcionales
Implementación y evaluación
Análisis con la metodología de
diseño estructurada
Análisis costo -beneficio de
pruebas experimentales
Posible optimizar
Inicio
Prototipo 2
Figura 3.1 Diagrama de flujo de la metodología utilizada parsecador.
Paso 1
del desempeño ototipo 1
2
a
Paso
Paso 3
Paso 4 Paso 5Paso 6
el diseño del nuevo
37
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.2 Revisión y evaluación del Prototipo 1.
La revisión del Prototipo 1 se realizó considerando el reporte del proyecto FOMIX
2004-C02-04 donde se indican los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales
descritas en el diseño del Prototipo 1. La evaluación se realizó implementando pruebas de
homogeneidad de secado, evaluación de la cinética de secado y evaluación de la
eficiencia térmica del sistema completo. La eficiencia térmica del sistema de secado se
evalúa por secciones con el fin de detectar oportunidades de mejora en cada una de ellas.
3.2.1 Revisión de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1.
Como ya se mencionó, para el proceso de diseño se tomaron como base los
requerimientos, restricciones y alternativas funcionales reportados en el informe del
Proyecto FOMIX 2004-C02-04 (Flores, 2006). El diseño del Prototipo 1 se basó en una
metodología estructurada que consiste en declarar necesidades, funciones y restricciones
principales, condiciones de diseño y parámetros críticos; con lo anterior se propusieron
alternativas funcionales y se analizaron cada una, considerando cada uno de los puntos
anteriores. En la Tabla 3.1 se muestra el cuadro de la metodología de diseño.
Tabla 3.1. Criterios de diseño. Cuadro de metodología de diseño
Declaración de necesidad Remover agua de los moldes de yeso. Función principal y restricciones principales
Remover agua de moldes de yeso utilizando un flujo de aire con baja humedad considerando que el molde no debe pasar los 50°C.
Condiciones de diseño:
• Secado de moldes utilizando energía solar y/o calor de deshecho. • Que tenga capacidad de secar la cantidad de moldes que normalmente se
utiliza en una mesa de vaciado de 6 metros de largo por 0.90m de ancho. • Que el secador pueda moverse de una mesa de vaciado a otra. • Reducir el tiempo de secado a no más de una semana. • Reducir los manejos de los moldes en el proceso de fabricación de
cerámica, reduciendo la carga y descarga de moldes de mesas de trabajo. • Que sea factible de ser reproducido por personal no altamente capacitado.• Fácil operación. • Que pueda operar de manera continúa.
Parámetros críticos: • Distribución uniforme de temperatura y humedad de aire. • Temperatura del aire no mayor a 50ºC. • Optimización en el consumo de la energía.
Alternativas funcionales.
• Uso de extractores de aire para suministro y extracción. • Uso de difusores internos y válvulas para distribución homogénea del
aire (ducto distribuidor). • Uso de un sistema de monitoreo y control de temperatura y humedad
38
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Continuación ….Tabla 3.1. Criterios de diseño.
Alternativas funcionales
bajo costo. • Calentamiento del aire con agua caliente proveniente de un depósito
aislado. • Calentamiento del agua captando energía solar y calor de deshecho de los
hornos. • Implementación de una cámara de ambiente controlado: temperatura, humedad y cambios de aire con dimensiones semejantes a la mesa de vaciado; que sea transportable en recorridos cortos.
Con lo anterior se propuso un secador solar indirecto, en el que la energía solar es
captada y almacenada en forma de calor en un tanque aislado en un fluido de trabajo
(agua). El agua caliente se hace circular por un intercambiador de calor en donde cede la
energía a un flujo de aire, el cual corriente abajo se suministra a la cámara de secado. En
la Figura 3.2 se muestra un diagrama esquemático del sistema.
Figura 3.2 Diagrama esquemático del sistema de secado solar.
El Prototipo 1 utiliza energía eléctrica para el funcionamiento de bombas y
extractores. La cámara de secado se diseñó y construyó con posibilidad de que pueda ser
utilizada como mesa de vaciado y de secado a la vez, con este diseño se contempló secar
y vaciar reduciendo tiempos y movimientos en el proceso de fabricación de la cerámica.
En el reporte FOMIX 2004-C02-040 2006, se indica que los moldes húmedos, en
promedio se les debe remover el 30% del peso total del molde húmedo para que quede
completamente seco. También, se determinó que los moldes pueden secarse mediante un
secado continuo en condiciones controladas a 50°C hasta en 1.5 días.
El dimensionamiento térmico del Prototipo 1 se realizó mediante simulación
numérica con un programa de cómputo (Olarte, 2005). El sistema de almacenamiento
39
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
tiene una capacidad nominal de 294MJ, estimando una temperatura del agua de 60ºC, con
una capacidad de captación solar de 163MJ por día y una capacidad para calentar aire a
razón de 100MJ-día. El sistema de captación solar se caracterizó de manera separada, por
un lado se obtuvó el coeficiente global de pérdidas de calor del tanque de
almacenamiento (4W/m2K) y por otro lado se obtuvo la curva de eficiencia térmica de los
colectores de manera experimental. El sistema de secado se evaluó secando 40 moldes de
yeso, en los resultados se reporta que el tiempo de secado fue de 7.5 días, con un valor de
la constante de secado de 0.0048. En la Figura 3.3 se muestra el dibujo tridimensional
donde se ubican los elementos que componen el secador con suministro de energía solar,
cabe mencionar que de este dibujo se obtuvieron los dibujos de taller.
Figura 3.3 Sistema de secado con suministro de energía solar.
3.2.2 Evaluación y análisis del desempeño del Prototipo 1.
Para la evaluación de la cámara de secado, se utilizó la metodología mostrada en la
Sección 2.3 de este trabajo, para ello se realizó una prueba de secado sin modificaciones
del Prototipo 1. Para esta prueba se utilizaron 40 moldes de yeso de tamaño mediano
(21x17.5x19cm3), con un peso en seco de 9.44 kg cada uno en promedio y con un peso en
húmedo de 13.15 kg en promedio. La prueba de secado se realizó de acuerdo al
procedimiento indicado en el Apéndice A.
En la Figura 3.4 se muestra la gráfica de disminución del contenido de humedad
promedio de los moldes con respecto al tiempo. Como se muestra en la gráfica durante
40
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
las primeras 100 horas se presenta un período de velocidad de secado constante. Mientras
que en el intervalo de 124-220 horas se presentan un período de decaimiento de la
velocidad, en este período la velocidad de secado disminuye debido a que la humedad del
producto cada vez es menor y es más difícil remover el agua de la superficie de los
moldes. Por otra parte, en la grafica se muestra que cuando el proceso de secado se
encuentra en la hora 220 se llega a la humedad crítica, en donde la velocidad de remoción
de humedad disminuye drásticamente tendiendo a estabilizarse hasta llegar al contenido
de humedad de equilibrio en las últimas horas del proceso de secado, en esta ultima etapa
la presión de vapor de la humedad del sólido se iguala a la presión de vapor de la
atmósfera que lo rodea y el proceso de secado termina.
.
Figura 3.4 Historia de contenido de humedad promedio de los moldes de yeso.
En la Tabla 3.2 se muestra el resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para
la Prueba 1. En la columna uno se muestra el número de la prueba realizada, en la
columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente seco, en la
columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de humedad
requerido por los ceramistas, en la columna cuatro se muestra la constante de secado, en
la columna cinco se muestra la eficiencia del sistema de secado y en la columna seis se
muestra la eficiencia del sistema de calentamiento de agua.
41
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Tabla 3.2 Resultado obtenido de la evaluación del Prototipo 1 para la Prueba 1.
Pruebas Tiempo de secado total
(días)
Tiempo de secado ceramistas
(días)
k (h-1)
η 0.02±
SCη 0.07±
1 12 6.0 0.036 0.19 0.19
Como se muestra en la Tabla 3.2 el tiempo de secado para el contenido de humedad
requerido por los ceramistas se logro alcanzar en tan solo 6 días, con una constante de
secado de 0.036. Cabe mencionar que la constante de secado es inversamente
proporcional al tiempo de secado. Finalmente, la eficiencia general del sistema de secado
del Prototipo1 fue de 0.19.
3.3 Propuesta de nuevas alternativas funcionales.
De acuerdo a la revisión bibliográfica sobre secado, a las visitas realizadas a tres
plantas de fabricación de cerámica en el Estado de Morelos, a la evaluación y revisión de
de los requerimientos, restricciones y alternativas funcionales del Prototipo 1, se
propusieron nuevas alternativas funcionales para el diseño del Prototipo 2.
3.3.1 Tiempos y movimientos.
En la alternativa funcional del Prototipo 1 se indica que el secador se contempla con
posibilidad de que pueda moverse de una mesa de trabajo a otra y que su costo sea
reducido para que pueda ser implementado en las plantas de fabricación de cerámica del
Estado de Morelos, que en general son empresas pequeñas. Lo anterior, con el fin de
reducir los tiempos y movimientos en el proceso de fabricación de cerámica y
adicionalmente reducir el costo del secador. Para lograr esto, se analizó el Prototipo 1 con
el fin de detectar oportunidades de mejora. En el análisis se encontró que una de las
limitantes del Prototipo 1 es el peso de la cámara de secado, que impide tener una buena
movilidad entre mesas de trabajo, además su operación involucra a un mínimo de dos
operadores para poder desplazarla. El sobre peso del secador también se ve reflejado en
su costo y en el tiempo de fabricación, ya que la cubierta del Prototipo 1 corresponde
aproximadamente al 60 % del peso total del secador. Para reducir los tiempos y
movimientos en el proceso, se propone como nueva alternativa utilizar materiales para la
42
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
estructura y cubierta del secador de reducido peso, lo anterior, con el objeto de que se
reduzcan los costos del material y los costos de operación al reducir el número de
operadores. Por otra parte, se contempla la posibilidad de que la cámara de secado y la
mesa de llenado y vaciado formen una sola pieza y que la cámara pueda abrirse en un
ángulo de 70° con el fin de optimizar la operación del secador reduciendo así tiempos y
movimientos, además de disminuir el consumo y costo de materiales.
3.3.2 Homogenización en el secado.
En uno de los parámetros críticos del Prototipo 1 se estableció que el secador debe
secar uniformemente a lo largo de toda prueba. En la evaluación del Prototipo 1 se
colocaron cuatro moldes de yeso en diferentes posiciones de la cámara para monitorear la
uniformidad de secado, tal como se indica en la Figura 3.5.
Figura 3.5 Localización de los moldes dentro de la cámara de secado.
Por otra parte, el perfil de secado de cada molde respecto al tiempo se muestra en la
Figura 3.6. En la figura es evidente que la disminución del peso en el tiempo de los
cuatro moldes no es uniforme, varía dependiendo de su posición en la cámara. Este
mismo fenómeno se repite en dos pruebas. El secado de los moldes tiene el siguiente
comportamiento: secado longitudinal no uniforme, secado más rápido al oeste del secador
y secado más rápido al norte.
Con los resultados obtenidos, se detectan oportunidades de diseño en la distribución
de aire para lograr un secado homogéneo en el Prototipo 2. El ducto de suministro de aire
del Prototipo 1 es un tubo rígido con ranuras para la distribución de aire, sin embargo, de
acuerdo a los resultados esta distribución de aire no es la ideal. Por lo cual, para el
Prototipo 2 se mantiene la ubicación del ducto por el centro en la parte baja de la mesa de
vaciado, esta posición con el fin de evitar la obstrucción en la etapa de vaciado y llenado
43
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
del proceso de fabricación de cerámica. Sin embargo, se propone utilizar un material
flexible para que el ducto pueda reducir su volumen cuando no este en servicio. Con
respecto a las salidas para la distribución de aire, se propone utilizar orificios circulares
cuyo número será semejante al número de moldes de yeso de tamaño mediano que caben
en el secador, además se contempla que las salidas se dirijan hacia cada molde con
posibilidad de tener una mejor distribución de aire al interior de la cámara del Prototipo2.
Figura 3.6 Historia de la disminución de peso de cuatro moldes en la prueba 1.
3.3.3 Aprovechamiento de la energía solar.
Uno de las alternativas funcionales que se consideraron en el diseño del secador es la
manera en la que se suministra la energía necesaria para el proceso de secado. Para tener
un proceso de secado continuo se requiere un suministro de energía continua, esta energía
puede ser suministrada de maneras directa, indirecta o ambas. En el Prototipo 1 el
suministro de energía solar se realiza de manera indirecta, mediante un sistema de
calentamiento de agua (SCA), que se compone por un banco de colectores y un tanque de
almacenamiento. En el Prototipo 1 los 100MJ-día, a razón constante de 1157 W se
suministran mediante energía solar indirecta Qid. En el Prototipo 2 para optimizar el
suministro de energía se propone aprovechar la energía solar directa adicional al
44
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
suministro de energía solar indirecta. Esto implica que durante las horas solares el
secador funcione principalmente con energía solar directa, Qd y en las horas de
sombreado o nocturnas el secador funcione con energía solar indirecta, Qid.
En la Figura 3.7 se muestra el suministro de energía propuesto para el proceso de
secado en el Prototipo 2. En este esquema de suministro de energía, para satisfacer los
100MJ-día requeridos se utiliza un suministro de energía indirecto, Qid1+Qid2 y un
suministro de energía directo, Qd1. El resto de la energía directa suministrada por la
cubierta de la cámara, Qd2, se drena al ambiente con el fin de evitar sobrecalentamiento
en la cámara. Por otra parte, considerando los 100MJ-día requeridos se realizó un balance
global de energía para conocer la cantidad de energía suministrada de manera directa. Los
resultados preeliminares muestran que Qd equivale al 41% del total de la energía
requerida, por lo que sólo se requieren 59MJ-día del sistema de calentamiento de agua,
equivalentes al 59% de la energía total requerida. Con este esquema de suministro de
energía se puede satisfacer la cantidad de calor requerido para el proceso de secado,
teniendo un secado continuo con posibilidades de reducir el tamaño del sistema de
calentamiento de agua.
Figura 3.7 Esquema del suministro de energía propuesto para el proceso de secado del
Prototipo 2.
45
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.3.4 Mejoramiento del sistema de captación solar.
Con los resultados de la constante de secado y del desempeño del prototipo 1 de la
Sección 3.2.2, se propusieron modificaciones al sistema para evaluar las eficiencias del
sistema de calentamiento de aire y del sistema de captación solar. Para esto, se instaló un
medidor de flujo en el banco de colectores y se instalaron cuatro sensores de temperatura
(entrada y salida del banco de colectores, entrada y salida del intercambiador). Además,
se colocó una cubierta en la parte inferior del secador para evitar pérdidas de calor al
ambiente y se adecuaron los extractores de aire. Con las modificaciones anteriores se
realizaron dos pruebas de secado con el procedimiento descrito en el Apéndice A, a las
cuales se le denominan prueba 2 y 3. La Prueba 2 se realizó sin activar los extractores y
la Prueba 3 activados.
En la Figura 3.8 se muestra la historia de la disminución del contenido de humedad
de los moldes en el tiempo para las pruebas 2 y 3. La gráfica muestra que el decaimiento
del contenido de humedad de los moldes en ambas pruebas es similar, esta similitud
puede verse con mayor claridad en el valor de k, que para la Prueba 2 fue de 0.049 y para
la Prueba 3 fue de 0.051
Figura 3.8 Historia del contenido de humedad de los moldes de yeso, prueba 2 y 3.
46
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
En la Tabla 3.3 se muestran los resultados obtenidos de la evaluación del Prototipo 1
para las pruebas 2 y 3. En la columna uno se muestra el número de prueba realizada, en la
columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente seco, en la
columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de humedad
requerido por los ceramistas, en la columna cuatro se muestra la constante de secado, en
la columna cinco se muestra la eficiencia del sistema de captación solar, en la columna
seis se muestra la eficiencia del sistema de calentamiento de agua, en la columna siete se
muestra la eficiencia del sistema del calentamiento de aire y en la columna ocho se
muestra la eficiencia del sistema de secado completo.
Tabla 3.3 Resultados obtenidos en la evaluación del Prototipo 1 para las pruebas 2 y 3.
Pruebas
Tiempo de secado total
(días)
Tiempo de secado
ceramistas (días)
k (h-1)
collη 0.05±
SCη 0.07±
intη 0.01±
η 0.02±
2 9 5.5 0.049 0.39 0.32 0.20 0.31 3 9 5.0 0.051 0.36 0.31 0.23 0.32
En la Tabla 3.3 se muestran las eficiencias correspondientes de ambas pruebas
presentaron variaciones poco considerables, la eficiencia del sistema de captación solar
fue de 0.38 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua (colectores-
termotanque) fue de 0.32 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de aire
fue de 0.22 en promedio y la eficiencia del sistema completo de secado fue de 0.32 en
promedio.
Es de comentar que la eficiencia del sistema de captación solar es 0.06 puntos mayor
que la eficiencia del sistema de calentamiento de agua; de igual manera, la eficiencia del
sistema de calentamiento de agua es 0.1 puntos mayor que la eficiencia del sistema de
calentamiento de aire. Sin embargo, la eficiencia del sistema completo se incrementó en
0.1 respecto a la eficiencia del sistema de calentamiento de aire. Esto puede deberse a que
el aire que se calentó para remover la humedad de los moldes provenía también de
manera directa del ambiente, que en cierta medida ya tenía capacidad para secar los
moldes.
47
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
En el sistema evaluado puede notarse que la sección que afecta la eficiencia del
sistema completo es el desempeño de los colectores solares que tan solo tuvieron un 0.38
de eficiencia promedio. Con lo anterior, con el fin de lograr un mejor desempeño del
sistema de secado se propone, en una primera etapa, desarrollar estrategias para obtener
un mejor funcionamiento térmico de los colectores solares, que en general su eficiencia
puede estar por arriba de 0.50 (Macedo, et al., 1978).
Por otra parte en la Figura 3.9 y 3.10 se muestran las gráficas de la energía ganada en
cada sección del sistema de secado, se presentan los resultados que se obtuvieron en la
Prueba 2, del 02 al 11 de Octubre de 2007 y en la Prueba 3, del 15 al 24 Octubre 2007.
En la gráfica se muestra la energía captada por los colectores, la energía almacenada en el
termotanque, la energía transferida del agua al aire por el intercambiador y finalmente la
energía que se utilizó para remover el agua de los moldes. En la gráfica se muestra que la
energía captada por los colectores varía de manera semejante a la radiación global
durante la prueba, al igual que la energía almacenada en el termotanque, sin embargo, la
energía transferida en el intercambiador no depende considerablemente de la variación de
la radiación global a lo largo de cada día. Lo anterior, se debe a que la masa térmica
contenida en el termotanque sirve como amortiguador de las variaciones del suministro
de energía solar. El suministro de energía a la cámara presenta un comportamiento más
estable a lo largo de la prueba comparada con el suministro energético en el
intercambiador, esto permite que el secado de los moldes sea continuo a lo largo de la
prueba sin importar las variaciones climáticas durante los días y las noches. Con lo que se
puede ver que con el uso de la energía solar indirecta es posible mantener un secado
continuo.
48
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Figura 3.9 Energía en MJ de cada modulo del sistema de secado en la Prueba 2.
Figura 3.10 Energía en MJ de cada modulo del sistema de secado en la Prueba 3.
49
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.3.5Análisis de la estructura física del Prototipo 1.
También, con el fin de detectar oportunidades para el diseño del Prototipo 2 se
analizó la estructura física del Prototipo 1. El análisis consistió en la revisión del estado
actual del Prototipo 1 debido a las condiciones de intemperie en las cuales opera. Los
resultados del análisis muestran que:
1. Los ejes móviles de la cámara de secado presentan oxidación, por lo cual no
puede desplazarse tal y como se había contemplado en su etapa de diseño.
2. El aislante superior de la cámara de secado, fibra de vidrio, presenta degradación
debido a la entrada de agua de lluvia. El agua humedeció la fibra de vidrio
ocasionando también la oxidación de la estructura metálica.
3. Los materiales empleados en la construcción del Prototipo 1 se oxidan con
facilidad al estar en condiciones de intemperie.
Para mejorar el funcionamiento del Prototipo 2 se propone alternativas funcionales
para cada uno de los puntos anteriores los cuales serán considerados en el diseño:
1. Disminuir el número de partes móviles de la cámara de secado tanto como sea
posible. Para ello, se propone que la cámara de secado y la mesa de llenado y
vaciado formen una sola pieza. Se contempla que el secador tenga una cubierta
con un sistema de bisagras como eje, en uno de los laterales de 6 metros del
secador. La cubierta se contempla con una manija al centro de la mesa-secador,
además, de dos soportes mecánicos, cada uno ubicado en cada extremo de la
mesa-secador, para sostener la cubierta cuando este abierta.
2. Utilizar un material para la cubierta de la cámara de secado que minimice la
entrada de agua, reduciendo el número de uniones en su superficie.
3. Para la estructura de la cámara se propone utilizar materiales que no se degraden
considerablemente al exponerlos al ambiente. Algunos de los materiales
contemplados son: acero inoxidable, sellos, recubrimiento para aceros, tubería de
PVC, aluminio y madera tratada.
50
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.4 Resultados de la revisión, evaluación y propuesta de nuevas alternativas funcionales del Prototipo 1.
Con la revisión, evaluación y propuesta de las alternativas funcionales mencionadas
en las secciones anteriores se plantea un nuevo cuadro de criterios de diseño, tal como se
muestra en la Tabla 3.4. En la fila dos se muestra la función principal del secador, en la
fila tres se muestran las principales restricciones tanto del producto como del cliente para
el nuevo diseño, en la fila cuatro se muestra la declaración de la necesidad (función
principal + restricción principal), en la fila cinco se muestran los requerimientos del
cliente para el secador, en la fila seis se muestra el requerimiento principal del producto,
en la fila siete se muestran las condiciones de diseño y en la fila ocho se muestran las
alternativas funcionales consideradas para el Prototipo 2. En este cuadro se consideran
los puntos del diseño del Prototipo 1 y se agregan nuevas alternativas funcionales que
satisfacen los requerimientos y restricciones para el Prototipo 2.
Tabla 3.4. Criterios considerados en el diseño de la cámara de secado.
Criterios de diseño de la cámara de secado
Función principal Remover agua de moldes de yeso.
Restricción principal
Utilizar un flujo de aire con baja humedad considerando que el molde no debe pasar los 50ºC. Homogeneidad en el secado.
Declaración de necesidad
Secar moldes de yeso de manera homogénea a temperaturas no mayores a 50°C.
Requerimientos del cliente
Que la cámara de secado funcione también como mesa de vaciado, y que sea fácil de operar. Que su capacidad de secado sea la cantidad de moldes que normalmente se utiliza en una mesa de vaciado utilizada por industriales de la cerámica de 6 metros de largo. Que se reduzca el tiempo de secado de moldes de yeso, y disminuya el deterioro de los moldes al momento de secarse. Que el costo del sistema de secado sea económico.
Requerimientos del
producto Temperaturas de secado máxima 50°C.
Condiciones de diseño
Secado de moldes utilizando energía solar y/o calor de deshecho. Que el secador pueda moverse de una mesa de vaciado a otra. Reducir el tiempo de secado a no más de una semana. Reducir los manejos de los moldes en el proceso de fabricación de cerámica; tratando de reducir la carga y descarga de mesas de trabajo. Que sea factible de ser reproducido por personal no altamente
51
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
capacitado. Fácil operación. Que pueda operar de manera continua. Cámara de secado con reducido peso. Evitar la degradación acelerada de los moldes por su exposición a la intemperie.
Alternativas funcionales
Uso de extractores de aire para suministro y extracción del aire. Uso de un sistema de monitoreo y control de temperatura y humedad de bajo costo. Calentamiento del aire con agua caliente proveniente de un depósito aislado. Calentamiento del agua captando energía solar y/o calor de deshecho de los hornos. Implementación de una cámara de ambiente controlado (temperatura, humedad y cambios de aire con dimensiones semejantes a la mesa de vaciado; que sea transportable en recorridos cortos. Que la cámara de secado reciba de manera adicional energía solar directa mediante una cubierta transparente.
NOTA: Los nuevos puntos para el diseño del Prototipó2 se muestran en letras negras, y las letras grises corresponden a los puntos considerados en el Prototipo 1.
Con los resultados obtenidos en las secciones anteriores de la metodología de diseño
se detectaron oportunidades de optimización para el nuevo diseño de secador. Estas
oportunidades abarcan aspectos técnicos, económicos y funcionales:
a) Utilizar materiales apropiados que permitan disminuir el peso y costo del nuevo
secador.
b) Utilizar una cubierta de la cámara de secado transparente para que reciba de
manera adicional energía solar directa.
c) Mejorar el sistema de distribución de aire para lograr un secado homogéneo a lo
largo de la cámara.
d) Desarrollar estrategias para mejorar el desempeño térmico de los colectores
solares, que en general pueden tener una eficiencia por arriba de 0.50.
e) Utilizar materiales que no sean afectados fuertemente por la intemperie,
ocasionando que sufran oxidación que afecte la vida útil del secador.
f) Finalmente, con las nuevas alternativas funcionales mejorar los valores de la
constante de secado ( ) y el tiempo de secado de moldes de yeso (0.05≥ ≤ 5.0
días).
52
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
3.5 Aplicación de la metodología de diseño estructurado a las anteriores y nuevas alternativas funcionales.
Para el diseño del secador de moldes se utiliza la metodología de diseño estructurada
propuesta por Wallace y Clarkson (1999) y Seyyed (2005), que consiste en declarar
necesidades, funciones y restricciones principales, condiciones de diseño y parámetros
críticos, con esto se proponen alternativas funcionales y se analiza cada una considerando
cada uno de los puntos anteriores. De acuerdo a Wallace y Clarkson (1999) y Seyyed
(2005), la metodología para la solución de problemas de diseño se basa en cinco pasos
principales: 1) definir el problema, 2) recabar la información pertinente, 3) generar
múltiples soluciones, 4) analizar y seleccionar una solución y 5) probar e implementar la
solución. Para el cuarto paso, Seyyed propone matrices de solución en donde las
soluciones generadas sean evaluadas de acuerdo a criterios fijados por el diseñador
asignando calificaciones, siendo la solución elegida la de mayor puntaje.
A continuación se muestra el procedimiento para la aplicación de la metodología
estructurada de diseño:
PASO 1. Para aplicar la metodología estructurada de diseño inicialmente se establece la
declaración de la necesidad que corresponde al Nivel 1 (definir el problema). La
declaración de la necesidad se compone de la necesidad principal + la restricción
principal. Para este caso la necesidad principal es remover agua de moldes de yeso, y la
restricción principal es utilizar un flujo de aire con baja humedad considerando que el
molde no debe pasar los 50ºC y tener un secado homogéneo. Con lo anterior se establece
la declaración de la necesidad la cual se muestra en la Tabla 3.5.
Tabla 3.5 Declaración de la necesidad, Nivel 1 de la metodología de diseño estructurado.
N-1 Declaración de la necesidad
Necesidad Remover agua de moldes de yeso.
Restricción primaria • Utilizar un flujo de aire con baja humedad
considerando que el molde no debe pasar los 50ºC. • Homogeneidad en el secado.
Declaración de la necesidad
Secar moldes de yeso de manera homogénea a temperaturas no mayores a 50°C.
53
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
PASO 2. En este paso se recaba la información pertinente. Se establecen 12 subniveles
que responden a partes específicas del diseño de la cámara de secado, ver Tabla 3.6. En la
columna uno se muestra el nivel jerárquico y en la columna dos se describen cada uno de
los niveles que serán evaluados, esto se repite para la columna tres y cuatro.
Tabla 3.6 Niveles considerados para el diseño de la cámara de secado.
Nivel Descripción del nivel Nivel Descripción del nivel
1 Declaración de la necesidad 8 Suministro de aire
2 Control del ambiente 9 Forma del ducto de aire para su distribución en el secador.
3 Tipo de flujo 9-A Material para el ducto
4 Transferencia de calor 10 Extracción de aire
5 Colocación de moldes en el secador 11 Geometría de la cámara
6 Suministro de energía 11-A Número de cubiertas semitransparentes en la envolvente
7 Tipo de calentamiento solar 12 Estructura de la cámara
7-A Cubierta de la cámara
PASO 3. En este paso se trata de generar múltiples soluciones. Para cada subnivel
descrito en el Paso 2 se establecen varias opciones. Como ejemplo, en la Tabla 3.7 se
muestran las opciones de evaluación del Nivel 3, “Tipo de Flujo”. En las filas de la dos a
la cuatro se muestran las opciones consideradas para elegir el tipo de flujo de aire en la
cámara, las cuales se evaluarán en el siguiente paso.
Tabla 3.7 Opciones de evaluación del Nivel 3 de la metodología estructurada de diseño.
Opciones
1. Flujo cruzado en cama. 2. Flujo paralelo. 3. Flujo rotativo.
4. Flujo paralelo en charolas.
PASO 4. En este paso el objetivo es analizar y seleccionar una solución, para esto cada
una de las opciones del Paso 3 se evalúa con una gama de criterios de evaluación, al final
cada opción obtiene un puntaje y la opción con mayor puntaje es la opción elegida.
54
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
La calificación o puntaje que se asigna en la matriz de evaluación es de acuerdo al
criterio de calificación de la Tabla 3.8. En la columna uno se muestra la calificación
asignada y en la columna dos la descripción que corresponde a la calificación de la
columna uno.
Tabla 3.8 Criterio de calificación para la matriz de evaluación.
Calificación Descripción 1 Pésimo 2 Regular 3 Adecuado 4 Muy adecuado 5 Excelente
La gama de criterios de evaluación se proponen de acuerdo a los requerimientos y
restricciones del cliente y del producto, con base en la revisión bibliográfica realizada y a
la experiencia del diseñador o grupo de diseñadores. Como ejemplo, en la Tabla 3.9 se
muestra la matriz de evaluación del Nivel 3. En la columna uno se muestran las opciones
a evaluar, de la columna dos a la columna doce se muestran los criterios de evaluación, y
en la columna trece se muestra el resultado de la evaluación. En la tercera fila se muestra
el factor de peso, que es el puntaje asignado a cada criterio de evaluación de acuerdo a su
orden jerárquico de importancia, siendo 5 el criterio de evaluación más importante y 1 el
menos importante. Cabe mencionar que el puntaje puede repetirse en el número de
criterios que establezca el diseñador. Para obtener el puntaje total se sigue el siguiente
procedimiento, para cada opción de evaluación, se multiplica cada factor de peso por el
puntaje obtenido en cada criterio de evaluación y la suma de estos productos corresponde
al puntaje total. En la Tabla 3.10 se muestra la tabla de descripción de los criterios de
evaluación utilizados para evaluar las opciones del Nivel 3 (Tipo de flujo). En la columna
uno se muestra el criterio de evaluación, y en la columna dos se muestra a que se refiere
con cada criterio de evaluación. Para este el nivel de tipo de flujo, la opción elegida por
su mayor puntaje es la opción de: flujo cruzado en cama.
55
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Tabla 3.10 Tabla de descripción de los criterios de evaluación del Nivel 3.
Criterios de evaluación Descripción
Homogeneidad de secado Si el material ha secar presenta un contenido de humedad homogéneo una vez terminado el proceso de secado.
Integridad del molde Se refiere a si las condiciones del producto después de someterse al proceso de secado cumplirían los requerimientos del cliente y del producto.
Facilidad de carga y descarga
Que tan fácil sería manipular el producto dentro del secador, para carga y descarga utilizando este tipo de flujo.
Costo y disponibilidad de materiales
Se refiere al costo de fabricación del secador y de los materiales, así como que tan fácil sería conseguir los materiales para la construcción.
Consumo energía adicional al calentamiento
Se refiere a como si requeriría un consumo de energías adicionales, tales como: eléctrica, gas, gasolina, etc.
Facilidad de operación Si el operar el secador requiería personal altamente capacitado.
Tiempos y movimientos Que tanto afectaría en los tiempos y movimientos programados en el proceso común de fabricación de cerámica el utilizar este tipo de flujo.
Adaptabilidad al proceso principal
Cuanto se adaptaría implementar este tipo de flujo al secador seleccionado, y a su vez al proceso de fabricación que comúnmente usan los Ceramistas.
Control del proceso Facilidad del control de las variables del equipo de secado ( temperatura, humedad relativa)
Tiempo de secado Cuanto tiempo tomaría el proceso de secado utilizando este tipo de flujo.
Transportabilidad La facilidad de trasportar el secador en distancias largas.
Los resultados obtenidos en cada subnivel, una vez aplicada la metodología
estructurada de diseño, pueden verse en la Tabla 3.11. En la columna uno se muestra su
nivel jerárquico, en la columna dos se describe cada nivel, en la columna tres se describe
la opción que obtuvo más puntaje en la evaluación, en la columna cuatro se señalan los
puntos que se consideraron en el diseño del Prototipo 1 y en columna cinco se señalan los
puntos que se consideraron en el diseño del Prototipo 2.
57
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Tabla 3.11 Resultados de la aplicación de la metodología de diseño estructurada.
Nivel Descripción del nivel Opción elegida Diseño Prototipo 1
Diseño Prototipo 2
1 Declaración de la necesidad
2 Control del ambiente Sistema con ambiente controlado
3 Tipo de flujo Flujo cruzado en cama
4 Transferencia de calor Convección forzada
5 Colocación de moldes en el secador Cama
6 Suministro de energía Solar
7 Tipo de calentamiento solar Directo-indirecto
7-A Cubierta de la cámara Polietileno
8 Suministro de aire Continuo
9 Forma del ducto de aire para su distribución en el secador.
Ducto en el centro con distribución de aire localizado
9-A Material para el ducto Tela de nylon
10 Extracción de aire Extracción forzada por la parte superior del secador.
11 Geometría de la cámara Cuadrado con techo semicircular
11-A Número de cubiertas semitransparentes en la envolvente
Una cubierta
12 Estructura de la cámara Solera de aluminio
PASO 5. El siguiente paso es implementar la opción elegida.
Con las opciones elegidas para cada nivel de diseño, las cuales se muestran en la
tercera columna de la Tabla 3.11, se propone el diseño del Prototipo 2. La tabla general
de la evaluación de todos los subniveles del diseño del secador se muestran en el
Apéndice B. En la Figura 3.11 se muestra el esquema del secador Prototipo 2 obtenido
con la metodología de diseño. En esta figura se muestra que la cubierta de la cámara de
secado estará constituida por una cubierta transparente con una estructura de anillos
sujetados en la parte superior por dos soportes del mismo material que los anillos sobre el
cual se colocarán los extractores de aire. Por otra parte, la estructura de la cubierta estará
unida a la mesa de llenado y vaciado, y contara con una cubierta en la parte inferior para
evitar pérdidas de calor al ambiente.
58
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
(a)
(b)
Figura 3.11 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso. (a )Isométrico, (b) Vista frontal.
En la Figura 3.12 se muestra la ubicación del ducto de distribución de aire dentro de
la cámara de secado. Como se muestra en el esquema el ducto esta ubicado en la parte
central y se extiende a lo largo de toda la mesa.
Ducto de distribución de aire
Figura 3.12. Esquema del ducto de distribución de aire de la cámara de secado de
moldes de yeso.
59
DISEÑO DEL SECADOR CAPÍTULO 3
Finalmente, en la Figura 3.13 se muestra la manera en la cual estará unida la
estructura de la cubierta de la cámara con la mesa de llenado y vaciado. La unión se
contempla mediante bisagras colocadas en un lateral de la mesa, lo cual permitirá abrir la
cubierta tal y como se muestra en el esquema. Los dibujos de taller del Prototipo 2 se
muestran en el Apéndice C.
(a)
(b)
(c)
Figura 3.13 Esquema de la cámara de secado de moldes de yeso. (a) Isométrico con tapa abierta, (b) Vista frontal abierta, (c) Vista lateral.
60
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Capítulo 4 Implementación de las
nuevas alternativas funcionales
En este capítulo se presenta la construcción del secador con base en el diseño
obtenido en el Capítulo 3. Se muestran los materiales empleados, el ensamblado de cada
sección que forma la cámara de secado y la construcción y caracterización del ducto de
suministro de aire antes de integrarlo al sistema de secado. Por otra parte, se presenta el
equipo experimental, los instrumentos empleados para el monitoreo y el control del
proceso. Finalmente, se muestra el comportamiento térmico del Prototipo 2.
61
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
4.1 Construcción del Prototipo 2.
Con el diseño obtenido de la aplicación de la metodología estructurada mostrada en
la Sección 3.5, se realizó la manufactura. Este proceso involucra convertir toda la
información detallada en componentes físicos y ensamblar estos componentes para
formar el sistema de secado. La construcción de cada componente y el ensamble final se
describen a continuación.
4.1.1 Mesa de vaciado.
La mesa de vaciado del Prototipo 1 fue adaptada para el nuevo diseño, para ello fue
pulida y pintada con pintura de aceite gris para remover la corrosión. La mesa de vaciado
es de acero estructural. La mesa consta de dos armaduras tipo cabrillas de 6m de largo
con ángulo de 3.81x0.32cm2 y PTR de 7.62x3.71cm2 de 0.32cm, las cabrillas se unieron
para formar un rectángulo de 0.9x6.0m2 el cual se reforzó con ángulo de aluminio en la
parte central. Posteriormente, a la mesa se le adicionó una pata en cada esquina del
mismo tipo de ángulo. La mesa esta unida con soldadura de microalambre para acero
estructural. En la Figura 4.1 se muestra la mesa de vaciado.
Figura 4.1 Mesa de vaciado.
62
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
4.1.2 Estructura de la cámara.
Para la estructura de la cámara se doblaron a mano nueve costillas de aluminio con
una plantilla de 0.95m de ancho y 0.70m de altura (Figura 4.2). Las costillas están
construidas con solera de aluminio de 5.08x0.47cm2. Las dimensiones del marco de la
estructura de la cámara son de 6.0x0.95m2 y esta construido con ángulo de aluminio
natural de 3.81x0.47cm2. Sobre el marco se sujetan las costillas de aluminio unidas con
soldadura TIG de microalambre de aluminio (Figura 4.3). Las uniones del marco de la
estructura de la cámara se reforzaron con secciones de ángulo de aluminio y con tornillos
con cabeza tipo gota de acero inoxidable de 0.63x2.54cm2, como se muestra en la Figura
4.4.
Figura 4.2 Costillas de la cámara de secado.
Figura 4.3 Unión de las costillas al marco de la estructura de la cámara.
Figura 4.4 Marco de la estructura de la cámara.
63
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
La estructura de la cámara se unió a la mesa de vaciado mediante siete bisagras de
7.62cm en una de las secciones laterales de la mesa, para ello se utilizaron remaches de
0.47x1.27cm2 permitiendo así que la cubierta de la cámara pueda abrirse (Figura 4.5).
Adicionalmente, se colocaron dos soportes en cada extremo de la cámara para sostener la
estructura de la cámara cuando este en posición abierta. Los soportes se construyeron con
solera de acero de 2.54 cm.
Figura 4.5 Unión de la estructura de la cámara con la mesa de vaciado.
Por otra parte, para dar rigidez a la cubierta de la cámara se colocaron en la parte
superior dos secciones de 6m de perfil cuadrado de aluminio de 2.54x1.27cm2, como se
muestra en la Figura 4.6. La unión del perfil cuadrado con la estructura de la cámara se
realizo utilizando remaches de 0.47x1.27cm2. Adicionalmente, los perfiles de aluminio
sirvieron para introducir todos los cables de los sensores de temperatura, el cable del
sensor de humedad y los cables de alimentación de los dos ventiladores de la cámara.
Figura 4.6 Instalación de las secciones de soporte de la cámara de secado.
64
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Por otro lado, en la parte superior de la estructura de la cámara se colocó una base
de aluminio con una cubierta de hule para instalar posteriormente los ventiladores
evitando la ruptura del polietileno de la cubierta (Figura 4.7).
Figura 4.7 Base de aluminio para los ventiladores.
4.1.3 Cubierta de la cámara de secado
Para la cubierta de la cámara se emplea polietileno transparente verdoso de
6.20x8.20m2 con transmitancía de 0.50 y protección UV. Para colocar la cubierta se
instaló en el marco base de la cámara sujetadores galvanizados de 3m. A los sujetadores
se les acopla un alambre en zig-zag para sujetar el polietileno, este sistema de sujeción
permite colocar la cubierta como una sola sabana y evita que el polietileno tenga rupturas
y uniones que afecten su resistencia y durabilidad (Figura 4.8).
Figura 4.8 Sujetador con alambre en zig- zag.
La estructura de la cámara se cubre con dos sabanas de polietileno en los extremos
y con una sabana en la parte superior de la estructura, como se muestra en la Figura 4.9.
Los extremos del polietileno se sujetan con el alambre en zig-zag. Para reforzar las
uniones del polietileno en los extremos de la cámara se utilizo un segmento de hule
blanco remachado en tres secciones, los remaches utilizados son de 1.27x0.47cm2, como
se muestra en la Figura 4.10.
65
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Figura 4.9 Instalación de la cubierta de la cámara de secado.
Figura 4.10 Unión de la cubierta superior con las tapas laterales de la cámara.
4.1.4 Suministro de aire.
Para colocar el ducto de suministro de aire en la cámara se instala un soporte de
alambre de acero de 0.39cm de diámetro, este alambre se sujeta a los extremos de la mesa
de vaciado utilizando una varilla roscada de 0.47cm de diámetro. Este soporte permite
tensar el alambre según las necesidades que se tengan y además permite montar y
desmontar el ducto con facilidad. En la Figura 4.11 se muestra a la izquierda la varilla
roscada en forma de U y en la parte derecha de la Figura se muestra la tuerca de ajuste.
Figura 4.11 Soporte para el ducto de aire.
Zona de remache
Tierca de ajuste Varilla
roscada en U
Alambre en Zig zag
66
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
El ducto de suministro de aire se construyó de tela impermeable con una longitud
de 6m para abarcar el tamaño de la mesa de vaciado y llenado. El diámetro del ducto fue
obtenido de la Figura 9 del ASHRAE Handbook 2005, esta figura es un mapa de fricción
de ductos circulares (Apéndice D). El diámetro del ducto se obtiene conociendo la
velocidad y la cantidad de aire de suministro en m/s y lt/s respectivamente. La velocidad
de suministro de aire considerada fue la máxima velocidad alcanzada con el extractor del
intercambiador de calor, que fue de 2.62m/s con un flujo de suministro de aire de
33.18lt/s, con lo que se obtuvo un diámetro de 130.83mm aproximadamente 5.15
pulgadas. Por lo cual, el ducto se construyó de 6m de largo y 130.83mm de diámetro. La
distribución de las salidas de aire se realizó de manera experimental, para ello se instaló
el ducto en el laboratorio y se conectó la entrada de aire a un ventilador centrifugo para
simular la operación del ducto, ver Figura 4.12.
Figura 4.12 Ducto de aire para pruebas experimentales.
Una vez que el ducto se instaló en el laboratorio se encendió el extractor y el ducto
se infló debido a su flexibilidad. Una vez que el ducto se pone a operar se procede a abrir
pequeños orificios para la salida de aire, el número y ubicación de las salidas de aire es el
número y ubicación de los moldes que caben en la cámara de secado (40 moldes de
yeso), esto considerando que el flujo de aire a la salida de cada orificio se dirija a cada
molde de yeso. Los orificios del ducto se fueron abriendo paulatinamente empezando por
diámetros pequeños (0.5cm) para evitar que el ducto perdiera presión y se contrajera. Al
mismo tiempo que se abrían los orificios, se probó que las salidas fueran homogéneas, es
decir, que la misma cantidad de aire saliera por todos los orificios.
67
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
La homogeneidad se probó utilizando dos técnicas, la primera técnica consiste en
un dispositivo que esta formado de un tubo de acrílico de 7.62cm de diámetro y una
altura de 100cm, en la parte inferior consta de una reducción de cobre de 7.62cm a
1.27cm, con la finalidad de adaptar el orificio a la entrada del dispositivo, ver Figura
4.13. Dentro del dispositivo se colocó una pelota de unicel de aproximadamente 5.08cm
de diámetro, cuando el dispositivo se coloca en uno de los orificios de salida el aire se
direcciona y entra empujando la pelota de unicel hacia arriba, subiendo paulatinamente
hasta alcanzar una altura determinada en la cual permanece estable, esa altura se anota y
se repite el mismo experimento para cada orificio. Para verificar la homogeneidad se
comparan los resultados de las alturas anotadas para cada orificio, considerando que para
que las salidas de aire sean homogéneas las alturas de cada orificio deben de estar en una
misma altura.
Figura 4.13 Dispositivo 1 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.
El segundo dispositivo se realizó con una hélice y un motor de corriente directa
que puede funcionar como generador conectados a un multímetro para la medición de
voltaje (Figura 4.14). El dispositivo se utilizó como un anemómetro de hélice, al acerca la
hélice a la salida de aire se registra el voltaje en el multímetro en un lapso de tiempo,
esto se hace para cada orificio del ducto. Se considera, que las salidas de aire son
homogéneas sí en la medición se obtienen voltajes similares.
Una vez que los 40 orificios del ducto se abrieron y se probaron con ambos
dispositivos, el siguiente paso fue aumentar el área de los orificios hasta donde fuera
posible, es decir, evitando la contracción del ducto, con lo cual los orificios pasaron de
68
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
0.5cm hasta un diámetro final de 1.27cm, con este diámetro final se obtuvieron las
lecturas de altura (dispositivo 1) y voltaje (dispositivo 2) para cada orificio de salida.
Figura 4.14 Dispositivo 2 para probar la homogeneidad de las salidas de aire del ducto.
Los resultados de altura y voltaje a lo largo de todo el ducto se muestran en la
Figura 4.15. En la gráfica se muestran un voltaje 1 (V1) y un voltaje 2 (V2), cada voltaje
se refiere a una línea de 20 orificios que se hicieron a lo largo del ducto, de acuerdo a la
ubicación de los moldes en la cámara. La misma analogía se sigue para las alturas. Como
se muestra en la Figura 4.15 el flujo de aire de cada orificio de salida del ducto no son
completamente iguales, sin embargo tienen poca fluctuación siendo la máxima variación
en el voltaje (V) de 4mV y la máxima variación en las alturas (H) es de 2cm. Este
comportamiento de las salidas de aire se consideró adecuado para el ducto de suministro
de aire de la cámara. Después de las pruebas experimentales, el ducto de aire se colocó
dentro de la cámara de secado utilizando el soporte con alambre de acero sujetado a la
mesa de vaciado.
69
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Figura 4.15 Gráfica de altura y voltaje de los orificios de salida contra longitud del ducto.
4.1.5 Salidas de aire.
Para la extracción de aire de la cámara se emplean dos ventiladores de marca Steren
de 12V corriente directa, 230 mA y 2.80 W de potencia. Los ventiladores se colocaron en
cajas de lámina galvanizada con una base de aluminio con una cubierta de hule en la
parte baja formando una chimenea de 0.15x0.30m2, tal como se muestra en la Figura
4.16. En la parte alta de la chimenea se instaló una tapa de latón en forma de domo con
varillas roscadas de 0.47cm para protección de la intemperie, como se muestra en la
Figura 4.17. Las varillas roscadas permiten bajar o subir la tapa según se requiera.
Figura 4.16 Construcción de las chimeneas para los ventiladores.
70
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Figura 4.17 Cubierta de las chimeneas de los ventiladores.
Los ventiladores se atornillan a las bases que se encuentran en la parte superior de
la estructura de la cámara y una vez sujetados se abren dos tapas en el polietileno para
permitir la salida de aire por los ventiladores (Figura 4.18).
Figura 4.18 Instalación de ventiladores en la cámara de secado.
4.1.6. Adaptación del sistema de colectores solares.
El banco de colectores solares del sistema de secado se desmontó del cobertizo para
recibir mantenimiento debido al largo período de exposición durante el cual había
operado. Durante el mantenimiento se detectó deterioro en el aislamiento térmico de
Armaflex posterior y lateral de los colectores, además de que varias de las cubiertas de
los colectores estaban fracturadas y como consecuencia de ello la placa absorbedora
mostró deterioro en su recubrimiento debido a que se filtró agua hacia el interior, como se
ve en la Figura 4.19. Los colectores solares recibieron mantenimiento y se reemplazó: su
aislamiento térmico y su cubierta de vidrio transparente de 4mm por una cubierta de
71
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
policarbonato cristal de 6mm que es más resistente que el vidrio. La cubierta de
policarbonato se colocó en los colectores y se selló con silicón negro en el marco,
adicionalmente se protegió con cinta gris para ducto y finalmente se remachó al marco de
aluminio con remaches de 0.31x0.95m2. Después del mantenimiento los colectores se
subieron al cobertizo en su posición original, como se ve en la Figura 4.20.
Figura 4.19 Deterioro en los colectores solares.
Figura 4.20 Colectores solares después del mantenimiento.
Ruptura del vidrio de la cubierta en varias secciones
4.2 Equipo experimental.
El Prototipo 2 se muestra terminado en posición abierta en la Figura 4.21. Este
nuevo prototipo tiene la posibilidad de ser operado por una sola persona, debido a que los
soportes de la cubierta pueden colocarse uno a la vez y mantener la cubierta abierta
mientras se cargan y descargan los moldes. Además, el espacio de apertura de la cubierta
es suficiente para manipular todos los moldes que caben en la cámara.
72
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Figura 4.21 Cámara de secado, Prototipo 2.
En la Figura 4.22 se esquematiza el equipo experimental completo del sistema de
secado. La sección sombreada en gris, representa el Prototipo 2 y el resto de la imagen
representa las secciones del equipo experimental que se utilizaron del Prototipo 1. El
equipo experimental completo se divide en cuatro secciones: del lado izquierdo de la
figura se muestra el sistema de calentamiento de agua (1, 2A, 3 y 4); en la parte central de
figura se muestra el sistema de calentamiento de aire (2B, 5 y 9); del lado derecho de la
figura se muestra la sección de secado (6 y 7) y en la parte superior de la figura se
muestra la sección donde se monitorea y registra la temperatura, la humedad relativa y la
radiación global del sistema de secado (8).
Figura 4.22 Equipo experimental para el secado de moldes de yeso.
73
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
A continuación, de acuerdo a la numeración de la Figura 4.22 se describen cada uno
de los accesorios y equipos que forman parte del equipo experimental:
1) Banco de colectores solares: sección de captación de energía solar donde el agua
proveniente de termotanque se calentará.
2A) Bomba hidráulica 1: bomba para circular el agua del termotanque al banco de
colectores.
2B) Bomba hidráulica 2: bomba para circular el agua del termotanque al intercambiador
de calor
3) Flujómetro: dispositivo para la medición del flujo de agua hacia los colectores.
4) Termotanque: es el sistema de almacenamiento de la energía proveniente de los
colectores y suministro agua al intercambiador de calor.
5) Intercambiador de calor: es la sección donde al agua del termotanque cede calor para
el calentamiento del aire.
6) Cámara de secado: sección donde se lleva a acabo el proceso de secado de los moldes
de yeso.
7) Ventiladores: dispositivos colocados en la parte superior de la cámara que funcionan
como extractores del aire húmedo de la cámara.
8) Monitoreo y control de variables: en esta sección se lleva acabo el monitoreo y
control de las variables de temperatura y humedad relativa del sistema de secado
completo, así como las variables de la estación meteorológica (temperatura ambiente,
radiación global y humedad relativa).
9) Controlador de velocidad: dispositivo que permite variar la frecuencia de la bomba,
para suministrar el agua proveniente del termotanque al intercambiador de calor con
diferente velocidad.
Por otra parte, el sistema hidráulico que interconecta las diferentes secciones del
equipo experimental que se muestra en la Figura 4.22, consta de tubería de cobre,
accesorios de acero galvanizado, válvulas de paso entre los dispositivos del sistema
74
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
(válvula 1 y 2) y filtros de agua para el buen funcionamiento de las bombas (Filtro 1 y
2). Además, el sistema hidráulico que conecta al banco de colectores, termotanque e
intercambiador de calor tiene un sistema tipo baipás que permite circular agua
directamente entre el intercambiador de calor y el banco de colectores, sin pasar por el
termotanque, válvula 3.
El equipo experimental de secado funciona de la siguiente manera, el sistema inicia
su operación cuando la radiación solar global es mayor a 450W/m2, en ese momento la
bomba 1 se activa succionando agua de la parte inferior del termotanque y bombeando
ese flujo de agua hacia el banco de colectores, este flujo es regulado con el flujómetro.
El agua que circula por el banco de colectores se calienta y regresa por la parte superior
del termotanque donde se almacena, este proceso continua siempre que la radiación
global sea mayor a 450W/m2, en caso contrario el agua se mantiene almacenada en el
termotanque. Posteriormente, la bomba 2 se activa y succiona agua caliente del
termotanque haciéndola circular por el intercambiador de calor. En el intercambiador
de calor, el agua proveniente del termotanque cede energía para calentar un flujo de aire
proveniente del ambiente y después regresa al termotanque con menor temperatura. El
flujo de aire caliente sale del intercambiador de calor y entra a la cámara de secado por
un ducto de suministro de aire, el aire caliente sube y remueve una cantidad de agua de
los moldes, iniciando así el proceso de secado. El flujo de aire con el contenido de agua
que removió de los moldes, sale de la cámara de secado con ayuda de los ventiladores
ubicados en la parte superior del secador. Este ciclo de operación se repite hasta que el
contenido de humedad en el tiempo de los moldes de yeso es 1%≤ , que es cuando el
proceso de secado termina.
4.3 Instrumentación y control del sistema de secado.
La instrumentación para el monitoreo del secador se realizó con el fin de medir y
visualizar en períodos de tiempo dados las variables de temperatura, humedad relativa y
radiación global. Con la medición de estas variables se podría evaluar la ncoll, nSC, nint y
n.
75
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
La instrumentación del sistema de secado se realizó siguiendo la estrategia
mostrada en el equipo experimental de la Figura 4.22. Las líneas continuas corresponden
a los sensores que fueron reemplazados en la puesta apunto del secado, mientras que las
líneas punteadas corresponden a los sensores que se utilizaron del Prototipo 1. En la
Tabla 4.1 se muestra la instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema
de secado. En la primera columna se muestra la cantidad de instrumentos que se emplean
para medir las variables físicas, en la segunda columna se describe el tipo de sensor o
instrumento de medición utilizado, en la tercer columna se indica la incertidumbre de
medición del instrumento, en la columna cuatro se muestra la imagen del instrumento y
en la columna cinco se indica la variable física a medir.
Tabla 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de secado.
Cantidad Sensor o
instrumento de medición
Incertidumbre Imagen del instrumento Variable física a medir
2 Sensor de
temperatura, LM35.
± 0.5°C
Temperatura del agua a la entrada y a la salida
del banco de colectores.
1 Flujometro, GPI. ± 2.0%
Flujo de agua hacia los
colectores.
5 Sensores de temperatura,
LM35. ± 0.5°C
Temperatura del agua en el termotanque.
2 Sensores de temperatura,
LM35. ± 0.5°C
Temperatura del agua a la entrada y salida del
intercambiador de calor.
1 Sensor de
temperatura, LM35.
± 0.5°C
Temperatura del aire en el túnel de entrada a la
cámara de secado.
6 Sensores de temperatura,
LM35. ± 0.5°C
Temperatura del aire al interior de la cámara de
secado.
76
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
Continuación…Tabla 4.1 Instrumentación utilizada en el equipo experimental del sistema de secado.
1 Sensor de humedad HMP50.
± 3.0% HR
(0-98% HR)
Humedad relativa del aire en el túnel de
entrada a la cámara de secado.
1 Sensor de humedad HMP50.
± 3.0% HR
(0-98% HR)
Humedad relativa del aire en el interior de la cámara
de secado.
1 Balanza, L-PCR 20. ± 0.005 kg
Peso de los moldes de yeso durante la prueba de
secado.
1 Piranómetro de primera clase,
EPPLEY ± 1.0% Radiación global.
1
Sensor de humedad relativa
y temperatura ambiente,
HMP45A
0-90% ± 2%
90-100% ± 3%
± 0.5°C
Humedad relativa del ambiente y Temperatura
ambiente.
Todas las variables físicas son monitoreadas mediante un sistema de adquisición de
datos DATALOGER marca Vaysala y software Maws Lizar y Maws Terminal. Las
mediciones de las variables pueden visualizarse en una compuatadora mediante el
Software Lab-view de manera gráfica.
El control del sistema de secado se realiza en tres secciones principales: la Bomba 1
de suministro de agua al banco de colectores, la Bomba 2 que suministra agua al
intercambiador de calor y el sistema de extractores en la cámara de secado, como se ve en
la Figura 4.22. Este sistema de control utilizado es el que existía en el Prototipo 1, sin
embargo, se adaptó a los requerimientos del Prototipo 2. Las tres secciones de control
están separadas, el control de la Bomba 1 se realizó con controladores de bajo costo y
con un sistema de adquisición de datos tipo PXI de la marca National Instruments
mediante el sofware Lab-view, que controla el sistema hidráulico del sistema de secado.
La Bomba 2 esta controlada con un controlador de velocidad que varia la frecuencia de la
77
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
bomba para suministrar al intercambiador de calor agua a diferentes razones de flujo, con
el fin de mejorar la transferencia de calor entre el agua y el aire. Por último, los
extractores de la cámara se encienden y apagan con un solo switch de manera manual.
4.4 Comportamiento térmico del Prototipo 2.
Una vez construido e instrumentado el Prototipo 2, se procede a verificar el
funcionamiento completo del secador, para esto se inicia el monitoreo de las variables de
temperatura y humedad relativa del aire de la cámara de secado y del ambiente. En la
Figura 4.23 se muestra el comportamiento de la humedad relativa del aire dentro de la
cámara, HRC, a la entrada de la cámara, HRT, la humedad relativa del ambiente, HRamb y
la radiación global para la Prueba 1 realizada el 30 de Mayo de 2008, que duró 8 días.
s
Figura 4.23 Comportami1 con una
En la Figura 4.23
segunda con días lluvioso
corresponde a los días so
15% y para la HRamb de
Días soleado
s
ento de la humedad relativa deduración de 8 días de secado.
se distinguen dos secciones, la
s. Como se muestra en la gráf
leados se tiene un promedio d
38%. Es importante notar qu
Días lluvioso
l aire en el Prototipo 2, Prueba
primera con días soleados y la
ica, para la primera sección que
e HRC de 40%, para la HRT de
e en esta sección la diferencia
78
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
promedio entre la HRC y la HRT es de 25%, mientras que la diferencia promedio entre la
HRamb y la HRT es de 23%. Estos resultados sugieren que el mismo porcentaje que se
disminuye de HRamb al momento de entrar a la cámara, es el mismo porcentaje que se
aumenta a la HRT como producto de la humedad que remueve el aire de los moldes de
yeso de la cámara. Por otra parte, para la segunda sección que corresponde a los días
lluviosos se tiene un promedio de HRC de 44%, para la HRT de 35% y para la HRamb de
72%. Para esta sección la diferencia promedio entre la HRC y la HRT es de 9%, mientras
que la diferencia promedio entre la HRamb y la HRT es de 37%. Los resultados de esta
sección muestran que al aumentar HRamb también aumenta la HRT, mientras que la HRC
se mantiene en un porcentaje similar en ambas secciones. Por lo que, aunque la HRamb
aumente la HRC se mantiene sin variaciones significantes, debido a que los moldes se
encuentran en la etapa final de secado y a que el porcentaje de HRamb se disminuye con
el intercambiador de calor y la HRT que finalmente entra a la cámara ya esta reducida en
la mitad.
Por otro lado, en la Figura 4.24 se muestra el comportamiento de la temperatura
del aire promedio de la cámara, TPC, la temperatura del aire a la entrada de la cámara, T ,
la temperatura del aire del ambiente, T
1
amb y la radiación global para la Prueba 1 realizada
el 30 de Mayo de 2008, que duró 8 días.
79
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
s
s
Figura 4.24 Compocon u
En esta gráfic
soleados y la segund
sección que correspo
promedio de T de 41
promedio entre la 1T
y la TPC es de 9°C. E
energía al agua de
liquido a vapor. Mie
del ambiente debido
para la segunda secc
de 28°C, un promedi
diferencia promedio
entre la T y la T1 PC e
cuando la temperatur
Días soleado
rtamiento de la temperatura del airna duración de 8 días de secado
a de la Figura 4.24 se distinguen do
a con días lluviosos. Como se muest
nde a los días soleados se tiene un
1°C y un promedio de Tamb de 27°C
y la Tamb es de 14°C, mientras que la
stos 9°C corresponden a la temperatu
la superficie de los moldes de yeso
ntras que los 14°C corresponden al a
a la energía cedida por el agua prove
ión que corresponde a los días lluvio
o de T de 32°C y un promedio de T1 a
entre la T y la T1 amb es de 10°C, mien
s de 4°C. Como lo indican los resu
a ambiente disminuyó en un promed
Días lluvioso
e en el Prototipo 2, Prueba 1
s secciones, la primera con días
ra en la gráfica, para la primera
promedio de TPC de 32°C, un
. En esta sección la diferencia
diferencia promedio entre la T 1
ra que perdió el aire al ceder su
para que cambiará de fase de
umento de temperatura del aire
niente del SCA. Por otra parte,
sos se tiene un promedio de TPC
mb de 22°C. Para esta sección la
tras que la diferencia promedio
ltados, aún en los días lluviosos
io 5°C, el aire a la entrada de la
80
IMPLEMENTACION DE LAS NUEVAS ALTERNATIVAS FUNCIONALES CAPÍTULO 4
cámara se mantuvo 10°C por arriba de la Tamb y la TPC se mantuvo siempre por arriba de
la Tamb. Estos resultados indican que aún en las condiciones climáticas adversas fue
posible evaluar el comportamiento térmico del Prototipo 2, obteniendo resultados
satisfactorios para el proceso de secado de los moldes de yeso, cuyo tiempo de secado fue
de 5 días bajo estas condiciones.
A continuación se presentará en el siguiente capitulo el estudio de costos y
eficiencias de los Prototipos 1 y 2.
81
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
Capítulo 5
Análisis costo-beneficio de las nuevas alternativas
funcionales
En este capítulo se presenta un análisis comparativo costo-beneficio de los
prototipos 1 y 2 para evaluar la viabilidad del nuevo diseño, los criterios de comparación
que se consideraron entre ambos prototipos son: a) peso y costo de la cámara, b)
homogeneidad de secado, c) aprovechamiento de la energía solar, d) mejoramiento de la
eficiencia, e) constante y tiempo de secado, y f) degradación de la cámara de secado
(materiales y funcionalidad).
82
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
5.1 Análisis comparativo de los secadores.
Una vez que se implementó y evaluó el Prototipo 2, el siguiente paso en la
metodología de diseño es realizar un análisis costo-beneficio entre ambos prototipos. El
análisis se realiza con los siguientes puntos: a) peso y costo de la cámara de secado, b)
homogeneidad de secado, c) aprovechamiento de la energía solar, d) mejoramiento de la
eficiencia, e) constante y tiempo de secado, y f) análisis de la degradación de la estructura
física de la cámara de secado.
5.1.1 Peso y costo de la cámara.
En la Tabla 5.1 se muestra un comparativo de los costos entre el Prototipo 1 y 2 de
cada sección de la cámara de secado. En la columna uno, se indica cada sección de la
cámara de secado, en la columna dos y cuatro se indican las cantidades de material
utilizado para la construcción de cada sección y en las columnas tres y cinco se presentan
los costos del material utilizado en cada sección. Las secciones que se consideran son, 1)
cubierta de la cámara, 2) estructura de la cámara, 3) mesa de vaciado y llenado, 4) lona de
recolección, 5) ducto de suministro de aire, 6) unión de la estructura, 7) extractores de
aire y 8) mecanismo de desplazamiento.
Tabla 5.1 Tabla comparativa de costos de materiales de la cámara de secado.
Prototipo 1 Prototipo 2
Sección de la cámara Cantidad Costo ($) Cantidad Costo ($)
1) Cubierta de la cámara --------- ---------
- 3 kg polietileno - Remaches
200.03
Lámina galvanizada y remaches 45.2 m2 2100.00 --------- ---------
Fibra de vidrio 20.0 m2 350.00 --------- ---------
Hule protección 12.0 m 300.00 --------- ---------
Bisagras 4 60.00 --------- ---------
Sujetador de puerta 2 120.00 --------- ---------
Sellador de puerta 5 mt 100.00 --------- ---------
2) Estructura de la cámara
- 82.3 m de PTR de1x1x1/8
- 2.24 m2 de acrílico 2200.00 --------- ---------
83
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
Costillas de aluminio --------- --------- 9m soleras de 2” 753.85
Sujetadores y alambre --------- --------- - 45m2 de sujetador - 2 kg de alambre 730.00
Base --------- --------- 14 m de ángulo de 11/2 x 3/16 700.08
Bisagras --------- --------- 8 (3”) 150.00
Soportes de sujeción --------- --------- - 3 m solera de hierro de 1”
- Manija 90.00
Soporte de ventiladores --------- --------- 12m de cuadrado blanco de aluminio
200.00
3) Mesa de vaciado y llenado.
- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8
- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8
- Soldadura - Pintura gris
1900.00
- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8
- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8
- Soldadura - Pintura gris - Remaches - Hule de protección soladura
2100.00
4) Lona de recolección 16 m2 130.00 16m2 130.00
5) Ducto de suministro de aire.
- 6 m de PVC - 1 ducto de aluminio 260.00 - 3 m de Tela
- 1 ducto de aluminio 260.00
6) Unión para la estructura.
2 kg de electrodos de ¼ 160.00
- 1.4 kg alambre de aluminio
- 8 tornillos inoxidables de 1/4x1 ½
300.00
7) Extractores de aire. 2 extractores 150.00
- 2 extractores - 2 caja de lámina galvanizada
200.00
8) Ruedas para desplazar la cámara. 4 560.00 --------- ---------
TOTAL 8,390.00 5813.96
Los costos de los materiales mostrados en la Tabla 5.1 para cada sección de la
cámara de secado indican, que el costo de la cubierta de la cámara del Prototipo 2 es 94%
menor que el costo de la cubierta del Prototipo 1, mientras que el costo de la estructura de
la cámara es 46.8% mayor que el costo de la estructura del Prototipo 1. La mesa de
84
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
vaciado y llenado al igual que la lona de recolección de ambos prototipos tienen costos
iguales, debido a que se utilizó la misma mesa para los dos secadores. Por otra parte, el
material para el ducto de suministro de aire del Prototipo 2 tiene el mismo costo que en
el Prototipo 1, esto pese a que están construidos de materiales diferentes. Los materiales
utilizados para las uniones de la estructura y los extractores de aire de la cámara del
Prototipo 2 son 87 y 33% más costosos respecto al utilizado en el Prototipo 1.
Finalmente, el costo total del Prototipo 2 es 30.7 % menor con respecto al costo del
Prototipo 1. Por otra parte, para la construcción del Prototipo 1 haciendo un estimado se
tiene que considerando que tres personas trabajaran en conjunto se requeriría de un
promedio de 8 días de trabajo, mientras que para la construcción del Prototipo 2 se
requerirían de un promedio de 5 días de trabajo.
En la Tabla 5.2 se muestra el comparativo del peso de los materiales utilizados para
la construcción de la cámara de secado. En la columna uno, se muestra cada sección de la
cámara de secado, en la columna dos y cuatro se muestran las cantidades de material
utilizado para la construcción de cada sección y en las columnas tres y cinco se muestra
el peso de los materiales utilizados en cada sección de ambos prototipos.
Tabla 5.2 Tabla comparativa de pesos de materiales de la cámara de secado.
Prototipo 1 Prototipo 2
Sección de la cámara Cantidad Peso (kg) Cantidad Peso (kg)
1) Cubierta de la cámara --------- --------- - 3 kg polietileno - Remaches
3.1
Lámina galvanizada y remaches 45.2 m2 142.8 --------- ---------
Fibra de vidrio 20.0 m2 6.0 --------- ---------
Hule protección 12.0 m 8.9 --------- ---------
Bisagras 4 0.1 --------- ---------
Sujetador de puerta 2 0.5 --------- ---------
Sellador de puerta 5 mt 0.2 --------- ---------
2) Estructura de la cámara
- 82.3 m de PTR de1x1x1/8
- 2.24 m2 de acrílico
73.0 --------- ---------
85
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
Costillas de aluminio --------- --------- 9m soleras de 2” 10
Sujetadores y alambre --------- --------- - 45m2 de sujetador - 2 kg de alambre 21.2
Base --------- --------- 14 m de ángulo de 11/2 x 3/16 14.9
Bisagras --------- --------- 8 (3”) 0.2
Soportes de sujeción --------- --------- - 3 m solera de hierro de 1”
- Manija 1.8
Soporte de ventiladores --------- --------- 12m de cuadrado blanco de aluminio
2.1
3) Mesa de vaciado y llenado.
- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8
- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8
- Soldadura - Pintura gris
105.2
- 17 m de ángulo de 1 ½ x1 ½ x1/8
- 54 m de PTR de 3x1 ¼ de 1/8
- Soldadura - Pintura gris - Remaches - Hule de protección soladura
108.1
4) Lona de recolección 16 m2 6.5 16m2 6.5
5) Ducto de suministro de aire. - 6 m de PVC - 1 ducto de aluminio
7.6 - 3 m de Tela - 1 ducto de aluminio 1.2
6) Unión para la estructura. 2 kg de electrodos de ¼ 2.0
- 1.4 kg alambre de aluminio
- 8 tornillos inoxidables de 1/4x1 ½
1.5
7) Extractores de aire. 2 extractores 0.7
- 2 extractores - 2 caja de lámina galvanizada
2.5
8) Ruedas para desplazar la cámara. 4 3.2 --------- ---------
TOTAL 356.7 173.1
El peso de los materiales mostrados en la Tabla 5.1 para cada sección de la cámara
de secado indica, que la cubierta de la cámara del Prototipo 2 es 98% menor en peso que
la cubierta del Prototipo 1. También, el peso de la estructura de la cámara es 32.5%
menor que el peso de la estructura del Prototipo 1, mientras que el peso de la mesa de
86
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
vaciado y llenado del Prototipo 2 es 2.8 % mayor que el peso de la mesa del Prototipo 1.
La lona de recolección tiene el mismo peso, debido a que se utilizó la misma para ambos
prototipos. Por otra parte, el peso del ducto de suministro de aire del Prototipo 2 es
90.7% menor que el peso del ducto del Prototipo 1. El peso de las uniones de la
estructura del Prototipo 2 es 25% menor que en el Prototipo 1, mientras que el peso de los
extractores de aire de la cámara del Prototipo 2 es 257.1% mayor que el peso de los
extractores en el Prototipo 1. Finalmente, el peso total del Prototipo 2 es 51.5 % menor
que el peso del Prototipo 1.
5.1.2 Homogenización en el secado.
En la Figura 5.1 se muestra la comparación de la disminución del peso de los
moldes de yeso para los Prototipos 1 y 2. En la figura se muestra con la banda sombreada
el ancho de la diferencia en la disminución de peso de diferentes ubicaciones de los
moldes en el Prototipo 1, mientras que las curvas de disminución de peso de los seis
moldes de yeso corresponden al Prototipo 2. En la gráfica se muestra que en el Prototipo
1 la diferencia máxima en la disminución del peso entre moldes fue en promedio de
1.7kg, mientras que en el Prototipo 2 esta diferencia fue de tan solo 1.2kg. También, se
muestra que conforme transcurre la prueba esta diferencia se reduce de 1.2kg hasta llegar
a 0.4kg.
La tendencia de disminución de peso en el Prototipo 2 indica una disminución de
peso más homogénea comparada con el secado en el Prototipo1, esto también puede
verse en la Figura 5.2, donde se muestra la comparación de la disminución del contenido
de humedad de los moldes de yeso en los prototipos 1 y 2. La banda sombreada
corresponde a la diferencia en el contenido de humedad de seis moldes ubicados a lo
largo y ancho en el Prototipo 1, mientras que las curvas en la gráfica muestran la
disminución del contenido de humedad para los seis moldes de yeso en el Prototipo 2.
87
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
Figura 5.1 Historia del comportamiento de la disminución de peso de seis moldes de
yeso ubicados en diferentes posiciones para los prototipos 1 y 2.
En la Figura 5.3 se muestra que en el Prototipo 1 la diferencia máxima del
contenido de humedad de los moldes fue de 15%, mientras que en el Prototipo 2 fue de
tan solo el 8%. Como se muestra en la figura, el ancho de banda representa la diferencia
del contenido de humedad en el Prototipo 1 y es de notar que se redujo en un 46% con el
Prototipo 2.
Figura 5.2 Historia de la disminución del contenido de humedad en los moldes de yeso
para los prototipos 1 y 2.
88
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
5.1.3 Aprovechamiento de la energía solar.
En la Figura 5.3 se muestra la energía consumida por la cámara de los prototipos 1
y 2, durante el tiempo promedio de las pruebas realizadas en cada prototipo. La línea
punteada corresponde al Prototipo 1, con un tiempo de secado promedio de 10 días y la
línea continua corresponde al Prototipo 2, con un tiempo de secado promedio de 8 días.
La energía empleada para el secado en la cámara del Prototipo 1 inicia con un consumo
de 2.27MJ/hr disminuyendo conforme se lleva acabo el proceso de secado, alcanzando
un consumo de energía final de 1.57MJ al final de 239 horas de secado, con un consumo
total de 455.24 MJ. El comportamiento del consumo de energía del Prototipo 1 se utilizó
como referencia para el análisis del Prototipo 2.
Figura 5.3 Historia de la energía empleada para el secado de la cámara de los
prototipos 1 y 2.
El porcentaje de energía suministrado por la cubierta de la cámara en la Sección
3.3.2 fue estimado en 41%. Sin embargo, los datos experimentales que se muestran en la
gráfica de la Figura 5.1 indican que la energía empleada para el secado del SCA del
Prototipo 2 es en promedio 30% menor que la energía empleada para el secado del
Prototipo 1, con un total de 264.50 MJ. El 30% de la energía adicional para que se lleve
acabo el proceso de secado en el Prototipo 2, es suministrado por la cubierta
89
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
semitransparente de la cámara. Este resultado se obtuvo considerando la transmitancia de
la cubierta de la cámara que fue 0.5, la cual fue evaluada monitoreando la radiación solar
en dos piranómetros horizontales, uno de los cuales estaba cubierto por la cubierta de
polietileno y el otro era el piranómetro de referencia.
5.1.4 Mejoramiento del sistema de captación solar.
En la Figura 5.4 se muestran los valores de eficiencia promedio para cada sección
de los prototipos 1 y 2 calculado con las Ecuaciones 2.4-2.7. Como se muestra en la
Figura 5.4, en el Prototipo 2 las eficiencias del sistema de captación solar y del SCA
aumentaron 0.04 puntos, sin embargo este aumento se encuentra dentro de la
incertidumbre de medición de para el sistema de captación solar y de para
el SCA (Apéndice E). Por otra parte, la diferencia entre las eficiencias del sistema de
calentamiento de aire en ambos prototipos es de 0.01 puntos, esta diferencia también se
encuentra dentro de la incertidumbre de medición de este sistema que es de . Por
otro lado, como se muestra en la figura la eficiencia del sistema de secado completo
aumentó 0.05 puntos en el Prototipo 2, con una incertidumbre de medición de ± .
Este aumento de eficiencia del sistema completo se encuentra fuera de la incertidumbre
de medición, por lo que en general puede decirse que la eficiencia del Prototipo 2
aumentó.
0.05± 0.07±
0.02
0.01±
Figura 5.4 Eficiencia de las cuatro secciones evaluadas del sistema de secado.
90
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
Por otro lado, en la Tabla 5.3 se muestra el tiempo de secado y la constante de
secado promedio en cada prototipo. En la columna uno se muestra el número de prueba
realizada, en la columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente
seco, en la columna tres se muestra el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de
humedad requerido por los ceramistas y en la columna cuatro se muestra la constante de
secado calculada con la ecuación 2.3.
Tabla 5.3 Comparativo del tiempo de secado y constante de secado entre los prototipos 1 y 2.
Pruebas
Tiempo de secado total
(días)
Tiempo de secado
ceramistas (días)
k (h-1)
Prototipo 1 9 5.5 0.049 Prototipo 2 8 4.0 0.052
Como se muestra en la Tabla 5.3 el tiempo de secado de total se redujo en 11.1%,
mientras que el tiempo de secado ceramista se redujo en un 27.3%. Por otra parte, la
constante de secado aumento 7.8 % en el Prototipo 2.
Con estos resultados se observa, que aunque el Prototipo 2 tiene las mismas
eficiencias en los sistemas de captación solar, SCA y calentamiento de aire. Sin embargo,
debido al aprovechamiento adicional de la energía solar directa los moldes de yeso en
este segundo prototipo se secaron en menor tiempo y la eficiencia aumento en 5%
comparado con la eficiencia del Prototipo 1.
5.1.5 Análisis de la estructura física de los prototipos 1 y 2.
Después de año y medio de operación y en condiciones de semi-intemperie, el
Prototipo 1 presentó degradación de la estructura de acero de la cámara debido a
oxidación. Además, a pesar de que el secador se encontraba bajo techo, el aislante
superior de la cámara presentó degradación debido a la entrada de agua de lluvia por la
geometría cuadrada de la cámara que permitió acumulación en su parte superior.
También, las secciones móviles de la cámara presentaron degradación debido a la
oxidación y se perdió esta funcionalidad temporalmente. Por otra parte, la cubierta
91
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO Y OPTIMIZACIÓN CAPÍTULO 5
exterior de lámina galvanizada se mantuvo en buenas condiciones durante el año y medio
de operación, y su estado sugiere que puede durar más tiempo.
En el caso del Prototipo 2, después de cuatro meses de operación no ha presentado
degradación y el estado físico de su estructura sugiere que no aparecerá en un plazo
mediano, esto debido al material de su estructura. Por otra parte, la flexibilidad de la
cubierta de la cámara ha soportado satisfactoriamente condiciones climáticas de sol,
lluvia y granizo. Además, de que esta cubierta tiene la facilidad de poder reemplazarse
cuando sufra degradación o algún defecto. En condiciones de uso normal, se recomienda
cambiarla en períodos de un año y en cuestión de tiempo de trabajo tomaría sólo un día
reemplazarlo. Por otra parte, la forma geométrica de la cámara permite drenar el agua de
lluvia que incide sobre la cubierta evitando acumulación de agua en su superficie que
pueda afectar negativamente el proceso de secado. Finalmente, la disminución de parte
móviles en el Prototipo 2 evita que esta función se vea afectada o limitada por el paso del
tiempo.
5.2 Conclusión del análisis comparativo.
El análisis comparativo de los Prototipos 1 y 2, inidca que el Prototipo 2 es viable
de acuerdo al análisis costo-beneficio realizado. Aunque no hubo mejoras significantes en
la eficiencia de este prototipo con respecto al Prototipo 1, se mejoró la eficiencia del
sistema completo de secado, se mejoró la constante y tiempo de secado, aumentó la
homogeneidad de secado, se redujo la cantidad de energía empleada por la cámara del
SCA, se redujo el costo y peso de la cámara de secado y debido a este último su
funcionalidad mejoró. Además, los resultados de la evaluación térmica muestran que el
sistema de secado logró operar de manera continua a lo largo de los días que duro el
secado de los moldes con un suministro de energía solar. La ventaja más destacada del
Prototipo 2 es el ahorro de energía del SCA al aprovechar la energía solar directa en las
horas del día para el proceso de secado.
92
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS CAPÍTULO 6
Capítulo 6
Conclusiones y recomendaciones
En este capítulo se presentan las conclusiones y las recomendaciones que se
esperan para futuros trabajos relacionados con este trabajo de tesis.
93
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS CAPÍTULO 6
6.1 Conclusiones.
1) En este trabajo se realizó el rediseño un secador de moldes de yeso considerando
el diseño del primer prototipo que se tenía en funcionamiento en CENIDET, la
reducción de costos de fabricación y optimización y considerando el proceso de
fabricación de cerámica que se aplica en el Estado de Morelos.
2) Se propuso una metodología de evaluación de secadores por sistemas, esta
metodología permite obtener la cinética de secado, la constante de secado y el
desempeño térmico del sistema de captación solar, del sistema de calentamiento
de agua, del sistema de calentamiento de aire y del sistema de secado. Lo anterior,
con el fin de facilitar la detección de oportunidades para el mejoramiento del
desempeño del sistema de secado completo.
3) Se aplicó la metodología de evaluación de secadores al Prototipo 1, con lo que se
obtuvo una constante de secado promedio de 0.050 y un tiempo de secado de
moldes de yeso de 5.5 días para el contenido de humedad requerido por los
Ceramistas. Por otra parte, la eficiencia del sistema de captación solar fue de
0.38± 0.05 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento de agua fue de
0.32± 0.07 en promedio, la eficiencia del calentamiento de aire en el
intercambiador fue de 0.22± 0.01 en promedio y la eficiencia de todo el sistema
fue de 0.32 0.02 en promedio. ±
4) Los resultados de la evaluación del Prototipo 1 mostraron que el desempeño del
sistema de captación afectó el desempeño del sistema completo de secado, ya que
en general su eficiencia puede estar por arriba de 0.50 (Macedo, et al., 1978) y en
la evaluación su eficiencia fue de sólo 0.38 en promedio. Sin embargo, una vez
mejorado se incrementó únicamente en un 4%.
5) Se diseñó y construyó el Prototipo 2, considerando los resultados de la evaluación
del Prototipo 1 y utilizando una metodología estructurada de diseño que consistió
en declarar la necesidad principal, funciones y restricciones principales,
condiciones de diseño y parámetros críticos, con lo cual se propusieron
94
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS CAPÍTULO 6
alternativas funcionales y se analizó cada una considerando cada uno de los
puntos anteriores.
6) Se aplicó la metodología de evaluación de secadores al Prototipo 2, para ello se
realizaron pruebas para obtener la cinética de secado, homogeneidad de secado,
y para evaluar la eficiencia térmica del cada sistema del secador.
Con el análisis comparativo de los resultados de las pruebas realizadas al
Prototipo 2 respecto al Prototipo 1, se encontró que:
7) El uso de materiales y configuraciones más adecuadas permitió reducir el costo de
fabricación hasta en un 30.6% y al mismo tiempo se redujo el peso del secador en
51.8%.
8) El uso de energía solar directa mediante la cubierta semitransparente de la cámara
permitió reducir la cantidad de energía empleada del SCA para el secado hasta en
un 30%, que equivale a 112.4 MJ del SCA que no se utilizaron durante el tiempo
que tomo la prueba.
9) El uso del ducto flexible para el suministro de aire en el Prototipo 2 permitió
mayor maniobrabilidad en la mesa de vaciado y cámara de secado, teniendo un
aumentó en la homogeneidad de secado en un 46%.
10) El tiempo de secado para el contenido de humedad requerido por los Ceramistas
en el Prototipo 2 fue de 4.0 días, con lo que se mejoró el tiempo de secado en un
27.3%.
11) La k en el Prototipo 2 fue de 0.052, con lo que se tuvo un aumento en la
constante de secado de 7.8%.
12) En el Prototipo 2, la eficiencia de los sistemas de captación solar, calentamiento
de agua y calentamiento de aire no presentaron cambios significativos, sus valores
se mantuvieron dentro de la incertidumbre de medición de cada sistema. En el
caso de la eficiencia del secador completo, se tuvo un aumento de eficiencia de
5% 2%. ±
95
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS CAPÍTULO 6
13) La estructura física del Prototipo 2 presenta mejores características para resistir la
degradación y para soportar la intemperie o semi-intemperie, con lo que se podría
considerar adicionalmente reducir costos de instalación en la fábrica de cerámica,
ya que para este prototipo no es necesario tener espacios techados.
6.2 Recomendaciones para trabajos futuros.
1) Utilizar un sistema de pesado que permita monitorear el decremento de peso de
todos los moldes de la cama de manera automática.
2) Automatizar el sistema de extractores con un control de tipo on-off, de tal manera
que de acuerdo a la temperatura al interior de la cámara se enciendan o apaguen.
3) Utilizar un intercambiador de calor que permita velocidades de aire arriba de 2.6
m/s, velocidad máxima alcanzada con el intercambiador de calor utilizado en los
prototipos 1 y 2, con el fin de evaluar el desempeño térmico del Prototipo 2 con
diferentes velocidades de flujo de aire.
96
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100
APÉNDICE A
A.1 Procedimiento de prueba para la evaluación del secador.
1. Para la evaluación del secador se utilizaron moldes de tamaño mediano de 21x17.5x19 cm3.
2. Los moldes de yeso de tamaño mediano se pesan en seco, como se muestra en la Figura A.1.
Figura A.1 Pesado de moldes en seco.
3. Una vez pesados, se humedecen al 100%, sumergiéndolos en agua durante 24
horas hasta que su peso ya no aumenta, tal como se muestra en la Figura A.2.
Figura A.2 Humectación de los molde de yeso.
4. Una vez húmedos los moldes se pesan nuevamente y se colocan dentro de la
cámara de secado.
5. La prueba de secado inicia con el monitoreo de las temperaturas del sistema y
humedad relativa del aire, así como las variables meteorológicas (temperatura
ambiente, radiación global y humedad relativa).
5. Los moldes se pesan dos veces por día (a las 12:00 y a las 18:00 horas), esto con el
fin de conocer la masa de agua removida y para calcular su contenido de humedad
en el tiempo.
102
APÉNDICE A
6. La prueba de secado finaliza cuando, el contenido de humedad de los moldes en
la pesada de las 12:00 horas menos el contenido de humedad de los moldes en la
pesada de las 18:00 horas es 1%≤ , lo cual indica que estamos cerca de la
humedad de equilibrio.
7. Con las temperaturas y humedades registradas de la prueba se obtiene la cinética
de secado (k y tiempo de secado) y la eficiencia del sistema, tal y como se explica
en la Sección 2.3 de esta tesis.
103
APÉNDICE C
Nombre: Vista frontal Acotación : cm
I.Q Karla María Aguilar Castro Fecha: 15 de Abril de 2008 1/3
108
APÉNDICE D
D.1. Mapa de fricción para ductos circulares, del ASHRAE Handbook 2005 (Figura 9).
s
La velocidad de suministro de aire considerada fu
aire suministrado se consideró de 33.18lt/s, con lo qu
130.83mm aproximadamente 5.15 pulgadas.
33.18 lt/s
2.62 m/
130.8 mm
e de 2.62m/s y la cantidad de
e se obtuvo un diámetro de
112
APÉNDICE E
E. Cálculo de incertidumbre
Considerando el método presentado en Holman, 1980, la incertidumbre de la
variable R es una función de las variables independientes hasta , sí ,....,, 321 xxx nx
( )nxxxxRR ,....,, 321=
La incertidumbre de R esta dada por la siguiente expresión:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
=22
22
2
11
.... nn
R xR
xR
xR ωωωω
A continuación, se muestra la aplicación de la ecuación anterior para obtener la
incertidumbre de medición para el cálculo de las eficiencias del sistema.
1) Sistema de captación solar.
( )2
1
2
1
.
2 1
t
ct
coll t
ct
m Cp T T dT
A GdTη
−
=∫
∫
se tiene,
Variable Incertidumbre
La temperatura de entrada de agua al colector promedio 41.61°C. 1T 0.5 C±
La temperatura de salida del agua al colector promedio 44.16°C. 2T 0.5 C±
El flujo másico de 0.1430kg/seg. .
cm 0.0028 kg seg±
La radiación solar global incidente de 707.1 2mW . G 27.07W
m±
Area de colección 7.964m. Ac 0.001m±
114
APÉNDICE E
1/ 2222 22 2.
2 1.coll c cm Cp T T G Aη η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥
2 1 cc
Cp T T G Am⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦
( )( )( ) ( )2 1
. 0.0028 0.00002817.964 707.1c
Cp t tm mA G
η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ c
cm ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦
2 22.. . 4182 (2.55)( )
02
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∂∂ CpCp
ωη
( ) ( )( )( ) ( )
2.22
.
2 1 2 12 1
4182 (0.1430)( ) ( ) 0.5 0.0028193
( ) 7.964 707.1
c
c
Cp mt t t t
t t A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠− = − = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ − ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦
⎢ ⎥⎣ ⎦
( )( )
( )( )( )
2. .22 2 1 .
2 2
( ) 4182 (0.1430)(2.55)7.07 0.0000007786
cCp m t tG Pη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ 7.964 707.1cG A G∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦
⎢ ⎥⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
( )
2.22 2 1. .
22
( ) 4182 0.1430 (2.55)0.001 0.000000001
7.964 707.1
c
c t
Cp m t tA A
A A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦
[ ]1 20.0000281 0 0.0028193 0.0000007786 0.000000001collωη = + + + +
0.053collωη = Redondeando 0.05collωη =
115
APÉNDICE E
2) Sistema de calentamiento de agua.
( ) ( )( )2
2 11
2
1
T
t
T Tt
SC t
ct
m Cp T t T t dt
A Gdtη
−=∫
∫
se tiene,
Variable Incertidumbre
Diferencia de temperatura del Termotanque promedio 2.45°C ( ) ( )2 1T TT t T t− 0.5 C±
Masa en el termotanque, 0.55 kg/seg. Tm ± 0.0275kg/seg
La radiación solar global incidente de 707.1 2mW . G 27.07W
m±
Area de colección 7.964m. Ac 0.001m±
1/ 222 2 22 2
2 12 1
SC T cT c
m Cp T T G Am Cp T T G Aη η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω
⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
2 22.. .
2 1.
4180 (2.45)( ) 0.0111 0.00040747.964 707.1T T
cT
Cp t tm mA Gm
η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦
0
2
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∂∂ CpCp
ωη
( )( ) ( )( )( ) ( )
222.
2 1 2 12 1
4180 (0.555)( ) ( ) 0.5 0.00424281
( ) 7.964 707.1T
c
Cp mt t t t
t t A Gη ω ω
⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤∂− = − = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥∂ −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
( )( )
( )( )( )
( )2. 22 .
2 12 2
( ) 4180 (0.555)(2.45)7.07 0.0001018
7.964 707.1T
c
Cp m t tG P
G A Gη ω ω
⎡ ⎤ ⎡ ⎤−∂⎡ ⎤ ⎢ ⎥= = =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦
116
APÉNDICE E
( )( )( ) ( )
( )
2.22 2 1
22
( ) 4180 0.555 (2.45)0.001 0.000000016
7.964 707.1
T
c cc c t
Cp m t tA A
A A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦
[ ]1 20.0004074 0 0.00424281 0.0001018 0.000000016SCωη = + + + +
0.068SCωη = Redondeando 0.07SCωη = 3) Sistema de calentamiento de aire.
( )2
11
2
1
t
int ambt
int t
ct
m Cp T T dt
A Gdtη
−=∫
∫
se tiene,
Variable Incertidumbre
La temperatura ambiente del aire promedio 22.76°C. ambT 0.5 C±
La temperatura de salida del aire promedio 35.35°C. 1T 0.5 C±
El flujo másico de 0.0250kg/seg . intm 0.00125 kg seg±
La radiación solar global incidente de 707.1 2mW . G 27.07W
m±
Área de colección 7.964m . Ac 0.001m±
1/ 2222 22 2.
1.2 1
i nt i nt amb cc
i nt
m Cp T T G ACp T T G Am
η η η η η ηωη ω ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎢ ⎥⎡ ⎤⎢ ⎥= + + + + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
222
.. .1
.
1005.84 (12.59)( ) 0.00124 0.000007907.964 707.1
ambi nt i nt
Cp T Tm mA G
η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥
ci ntm ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦
02
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∂∂ CpCp
ωη
117
APÉNDICE E
( ) ( )( )( ) ( )
2.22
.
1 11
1005.84 (0.0250)( ) ( ) 0.5 0.000004932
( ) 7.964 707.1
i nt
amb ambamb c
Cp mT T T T
t t A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠− = − = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ − ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦
⎢ ⎥⎣ ⎦
( )
( )( )
( )( )( )
2.22 1 .1005.84 (0.0250)(12.59)
7.07 0.000000315i nt ambCp m T T
G Pη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥2 27.964 707.1G A G⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
( )
2.22 1
22
( ) 1005.84 0.0250 (12.59)0.001 0.0000000004
7.964 707.1
i nt amb
c cc c t
Cp m T TA A
A A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦=
⎢ ⎥⎣ ⎦
[ ]1 20.0000790 0 0.00004932 0.00000313 0.00000004intωη = + + + +
0.011intωη = Redondeando 0.01intωη = 4) Sistema de secado completo.
2
lg1
2
1
( )t
rem ct
t
ct
m h T dt
A Gdtη =
∫
∫
se tiene,
Variable Incertidumbre
Masa de agua removida 0.513kg. remm 0.01026 kg±
La radiación solar global incidente de 707.1 2mW . G 27.07W
m±
Area de colección 7.964m. Ac 0.001m±
118
APÉNDICE E
1/ 22 2 22 2.
. rem l g cl g c
rem
m Cp h G ACp h G Am
η η η η ηωη ω ω ω ω ω⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥= + + + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ∂⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦⎣ ⎦∂⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
2 22.. .
.
24000.01026 0.0001912
7.964 707.1rem rem
rem
l g
c
hm m
A Gm
η ω ω⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤∂⎢ ⎥ = = =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎣ ⎦
2
0l gl g
hhη ω
⎡ ⎤∂=⎢ ⎥
∂⎢ ⎥⎣ ⎦
0
2
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∂∂ CpCp
ωη
( )( )( )( )
( )
2.22 .
2 2
2400 (0.513)7.07 0.00004778
7.964 707.1
l g rem
c
h mG P
G A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦
⎢ ⎥⎣ ⎦
( )( )( ) ( )
( )
2.22.
22
2400 0.5130.001 0.000000007
7.964 707.1
l g rem
cc t
h mA A
A A Gη ω ω
⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎡ ⎤∂⎡ ⎤ ⎝ ⎠= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥∂⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦
⎢ ⎥⎣ ⎦
[ ]1 20.0001912 0 0.00004778 0.000000007ωη = + + +
0.015ωη = Redondeando 0.02ωη =
119
APÉNDICE F
F.1 Manual de operación de secador solar.
Contenido Pág.
F.1.1. Introducción……………………….. 121
F.1.2 Objetivos…………………………… 121
F.1.3. Secado…………………………….. 121
F.1.4 Equipo de secado………………….. 122
F.1.5 Secador solar directo-indirecto……. 124
F.1.6 Manipulación de los moldes de yeso. 125
F.1.7. Operación del secador solar……… 125
F.1.8 Mantenimiento preventivo………... 127
F.1.1. Introducción.
En el presente manual se describe la manera en que puede ser operado el Equipo
de Secado de Moldes de Yeso para la industria cerámica alimentado con energía solar
directa e indirecta. Se pretende que los operadores conozcan el funcionamiento del
equipo de secado para que no incurran en fallas que interrumpan innecesariamente el
proceso, degraden aceleradamente la vida del equipo o sufran daños en su persona.
F.1.2 Objetivos.
• Permitir operar los equipos de manera correcta y segura.
• Reducir el número de interrupciones en el proceso de secado por fallas debidas a una
mala operación.
• Dar las habilidades para que el equipo trabaje de manera eficiente.
• Disminuir las acciones inseguras que pueden propiciar accidentes.
F.1.3. Secado.
La operación de secado convectivo es una operación de transferencia de masa
debido al contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por
121
APÉNDICE F
evaporación hacia la fase gaseosa, debido a la diferencia entre la presión de vapor
ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa.
Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y
el proceso de secado cesa.
Cuando un sólido húmedo se somete a un secado térmico, ocurren dos procesos
simultáneamente (Mujumdar, 2006):
1. Transferencia de la energía del ambiente circundante para evaporar la superficie
húmeda. En este proceso la remoción de agua como vapor de la superficie material,
depende de las condiciones externas de temperatura, humedad del aire y del flujo,
área de la superficie expuesta, y presión.
2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del sólido y su evaporación
subsecuente debido a proceso 1. En este proceso el movimiento de la humedad
interna dentro del sólido, está una función de la naturaleza física del sólido, de la
temperatura, y de su contenido de agua.
En una operación de secado, cualquiera de estos procesos puede ser un factor
limitante de la velocidad de secado, aunque ambos se presentan de manera simultánea a
través del ciclo de secado.
F.1.4 Equipo de secado.
Los dos elementos básicos de equipo de secado solar son: el sistema de colectores,
donde la radiación calienta el agua, el tanque térmico donde se almacena la energía y la
cámara de secado, donde el aire que pasa remueve la humedad del producto.
Tipo de Circulación.
El aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del
producto. Esta circulación se logra por circulación forzada.
122
APÉNDICE F
Circulación forzada:
El aire es movido por un ventilador que consume energía eléctrica. Este tipo de
circulación facilita el control del proceso de secado y la transferencia de masa. Usando
este tipo de circulación se tienen velocidades de circulación de aire de 210 m3/hr . La
principal desventaja de la circulación forzada es el hecho de que se debe disponer de una
fuente de energía eléctrica.
El uso de secadores con aire caliente y forzado acelera y controla el proceso de
secado. Los moldes de yeso se secan adecuadamente con este tipo de secadores. La
limitación física principal para el secado de moldes de yeso es la temperatura máxima a
la cual debe operar el secador para no calcinar el molde; las temperaturas recomendadas
son en el intervalo de 45 a 50ºC.
Tipo de Secador Solar.
Secador indirecto:
Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la
radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de
secado no permite la entrada de la radiación solar. Este secador es esencialmente un
secador convectivo convencional en que el sol actúa de fuente energética.
Secador solar directo:
Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la cámara que contiene el
producto también cumple la función de colector recibiendo la radiación solar.
Secador solar directo-indirecto (mixto):
Finalmente puede darse el caso en que la colección de radiación se realice tanto en
un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara.
El equipo de secado descrito en este documento es un secador solar directo-
inidirecto. En la Figura F.1 se muestra el equipo de secado.
123
APÉNDICE F
Forma de Operación.
Secado por lote:
Los moldes de yeso son colocados en la cámara en un lote de 40 moldes de yeso (de
13kg de peso en promedio húmedo), y se retiran hasta que tengan el contenido de
humedad requerido por los ceramistas para que sigan el proceso de fabricación de
cerámica. Este tipo de operación permite un diseño más sencillo del proceso de carga y
movimiento del producto dentro del equipo.
Figura F.1 Secador solar directo-indirecto
F.1.5 Secador solar directo-indirecto.
Características de la cámara de secado:
• El marco de la estructura de la cámara de 6.0x0.95m2 esta formado de ángulo de
aluminio natural 3.81x0.47cm2 reforzada en las esquinas con secciones de ángulo
de aluminio unidos con soldadura TIG de microalambre para aluminio y
reforzados con tornillos gota de acero inoxidable de 0.63x2.54cm2. Sobre el
marco están sujetas nueve costillas de solera de aluminio natural de 5.08x0.47cm2
unidas con soldadura TIG de microalambre para aluminio.
• La cámara cuenta con una cubierta semitransparente que permite de manera
adicional recibir radiación solar directa.
124
APÉNDICE F
• La cubierta de la cámara de secado es móvil, puede abrirse sobre un eje y dispone
de dos sujetadores que permiten mantener la cubierta abierta mientras se
maniobra con los moldes dentro del secador.
• La cámara cuenta con dos extractores equidistantes en la parte superior para
extraer el exceso de humedad en el interior de la cámara.
• En la cámara de secado el suministro de aire con baja humedad relativa se realizar
por un ducto flexible ubicado en la parte baja de la mesa de secado con una
velocidad de 210 m3/hr.
Características del sistema de captación de energía solar.
El sistema de captación de energía solar se diseñó con el fin de abastecer energía
para el calentamiento del aire que se utiliza para el secado. El equipo en general consta de
tres secciones principales: un sistema para el calentamiento y almacenamiento de agua;
un sistema de calentamiento de aire y el secador.
F.1.6 Manipulación de los moldes de yeso.
1) Se colocan los moldes de yeso húmedos 100% humedecidos en la cámara de
secado de la siguiente manera:
1. Se abre la cubierta de la cámara de secado, y se sostiene con los
sujetadores de los extremos.
2. Se colocan 40 moldes de yeso húmedos (medianos) divididos en dos
hileras de 20 moldes equidistantes sobre la mesa de vaciado, dejando libre
el centro de la mesa debido a que en la parte baja se encuentra el ducto de
aire que alimenta la cámara de secado.
3. Una vez colocados los moldes húmedos se vuelve cierra la cubierta de la
cámara.
F.1.7. Operación del secador solar.
Antes de iniciar el proceso de secado se realiza lo siguiente:
125
APÉNDICE F
Se colocan los moldes de yeso húmedos al 100% en la cámara de secado de la
siguiente manera:
1. Se abre la cubierta de la cámara de secado, y se sostiene con los
sujetadores de los extremos.
2. Se colocan 40 moldes de yeso húmedos (medianos) divididos en dos
hileras de 20 moldes equidistantes sobre la mesa de vaciado, dejando libre
el centro de la mesa debido a que en la parte baja se encuentra el ducto de
aire que alimenta la cámara de secado.
3. Una vez colocados los moldes húmedos se vuelve cierra la cubierta de la
cámara.
Inicio de operación
2) El equipo de secado funciona de la siguiente manera, el sistema inicia su
operación cuando la radiación solar global es mayor a 450W/m2, en ese momento
la bomba del sistema de captación solar se activa succionando agua de la parte
inferior del termotanque y bombea ese flujo de agua hacia el banco de colectores,
este flujo es regulado con el flujómetro.
3) El agua que circula por el banco de colectores se calienta y regresa por la parte
superior del termotanque donde se almacena, este proceso continua siempre que la
radiación global sea mayor a 450W/m2, en caso contrario el agua se mantiene
almacenada en el termotanque.
4) Posteriormente, la bomba del sistema de calentamiento de aire se activa y
succiona agua caliente del termotanque haciéndola circular por el intercambiador
de calor. En el intercambiador de calor, el agua proveniente del termotanque cede
energía para calentar un flujo de aire proveniente del ambiente y después regresa
al termotanque con menor temperatura.
5) El flujo de aire caliente sale del intercambiador de calor y entra a la cámara de
secado por un ducto de suministró de aire, el aire caliente sube y remueve una
cantidad de agua de los moldes, iniciando así el proceso de secado.
126
APÉNDICE F
6) El flujo de aire con el contenido de agua que removió de los moldes, sale de la
cámara de secado con ayuda de los ventiladores ubicados en la parte superior del
secador. Este ciclo de operación se repite hasta que el contenido de humedad en
el tiempo de los moldes de yeso es 1%≤ , que es cuando el proceso de secado
termina.
F.1.8 Mantenimiento preventivo
Rutina Diaria
1) Limpie la mesa de vaciado antes de cada prueba si fuera necesario.
Rutina Periódica
2) Verificar las condiciones del agua almacenada, de ser necesario purgue el
tanque térmico cada 6 meses.
3) Cada 6 meses realice una limpieza general del equipo, para eliminar posibles
incrustaciones en el intercambiador de calor y en el tanque térmico.
4) Cambiar la cubierta de polietileno de la cámara al menos una vez cada año.
NOTA: Cualquier duda, o problema no solucionado, recurra al personal deservicio técnico.
karlitaadv@gmail.com Laboratorio de Tecnología solar
Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico Teléfono (01) 777 3 62 77 70 Ext. 199
127
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