Nivel Tecnológico Disponible. Aplicación de la Energía Solar Térmica en Plantas Secadoras de Alimentos

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Diferentes Tipologías de Secadores

La construcción de un secador solar suele requerir distintos niveles en cuanto a las herramientas y los conocimientos técnicos necesarios para la construcción o montaje y el entrenamiento necesario para su operación.

Los factores claves que definen las diferentes tipologías de secadores solares son que el secado se puede realizar por medio de los siguientes procedimientos:

Secado por irradiación directa
Secado por conducción, o
Secado por convección de calor a través del aire.

La transferencia de calor por convección es el método de transferencia más utilizado, ya que se necesita algún medio de transporte para la humedad que se desea extraer.

Normalmente el fluido de circulación es el aire, que realizará las funciones de aportación de calor y de medio de transporte de la humedad.

Existe la posibilidad de sistemas de transmisión por conducción, a través de tubos cerrados o chaquetas por dentro de los cuales circula aire o agua caliente, o vapor de agua, aunque son muy poco usados.

Los dos elementos básicos de un secador solar son:

El colector y
La cámara donde el producto es deshidratado por el aire que pasa.

Estos elementos pueden diseñarse para que se integren al equipo en distintas formas, apareciendo tres ramas principales en la tecnología del secado:

Secado directo,
Secado indirecto
Secado mixto.

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.

Estos secadores tienen como principales ventajas el coste menor y una mayor eficiencia de trabajo de los elementos captadores y secadores.

La radiación es absorbida por el propio producto, resultando más efectivo el aprovechamiento de la energía para producir la evaporación del agua. Ésto se debe a que la presión de vapor en la superficie crece por la absorción de radiación solar. Por lo tanto, el gradiente de presiones de vapor entre el producto y aire se hace mayor y se acelera el secado.

Figura 1 a-b. Secadores solares directos por acción del aire

La principal limitación de los sistemas de secado directo es el propio producto, que se puede degradar ante la acción directa del sol. El secador más sencillo y más extendido consiste en una superficie plana en el suelo, o encima de bandejas, sobre la que se deposita el producto directamente al sol.

La siguiente evolución de este tipo de secadores, tal como se observa en las figuras 1 y 3, consiste en añadir superficies transparentes (plásticos o vidrios) para aumentar el efecto invernadero y proteger el producto de lluvias.

Secador Solar Indirecto

Los dos elementos están separados.

El aire es calentado en el colector y la radiación no incidirá sobre el producto colocado en la cámara de secado, que es opaca.

Este es esencialmente un secador convectivo convencional en el que el sol (captado a través de un banco de colectores) actúa de fuente energética.

El control del proceso es más simple (especialmente en el caso de secadores con circulación de aire forzada), además es fácil integrar una fuente auxiliar de energía para construir un sistema híbrido. Dado que la cámara de secado es opaca, este sistema permite secar en forma conveniente productos que se puedan dañar o perder calidad de aspecto por una exposición directa al sol.

Figura 2. Secador solar indirecto por convección natural

Fuente ITDG-Group.

Las desventajas de este tipo de colectores están, en primer lugar en el hecho de que al separar la función colección de energía solar de la del secado, el tamaño del equipo (y sus costos) crece.

Una segunda desventaja (menos aparente) es que para evaporar la misma cantidad de agua se necesita mover más kilogramos de aire a mayor temperatura que en el caso de los secadores directos. Ésto implica que los colectores solares trabajarán en un punto de menor eficiencia de su curva característica.

Las dos desventajas anteriores implican que se debe cuidar mucho el diseño del sistema para tener colectores de elevada eficiencia y bajo coste.

Secador Solar Mixto

Finalmente puede darse el caso en que se recoja radiación tanto en un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara.

El secador solar mixto se utiliza principalmente en aquellos productos que pueden secarse deforma directa pero presentan unos requerimientos térmicos más elevados, como el café. Por ello es prácticamente igual de ventajoso que el secador directo en el sentido de eficiencia y coste.

Figura 3. Secadores solares mixtos por convección natural

Fuente: ITDG-Group (izquierda); Solar drying handbook (derecha)

La circulación del aire se logra por diversos métodos:

Circulación forzada (el aire es movido por un ventilador),

Circulación por convección natural (movido por las diferencias de temperatura entre las distintas partes del equipo que promueven la convección térmica del aire: el uso de chimeneas constituye un caso particular de convección natural),

Circulación por acción del viento (el movimiento de aire es producido por el propio viento imperante en el lugar).

En algunos casos el viento actúa en forma indirecta moviendo un ventilador que produce la circulación del aire dentro del equipo.

Secado por Convección Natural o por Acción del Viento

La circulación por convección natural o por la acción del viento permite el funcionamiento del equipo en zonas sin suministro local de energía eléctrica, aunque en la mayoría de los casos está limitada a lugares con recurso eólico suficiente.

Para que sea viable deben existir vientos constantes de al menos 1 a 2 m/s durante las horas diurnas. La circulación por convección natural se hace más difícil de incorporar cuando el equipo crece de tamaño.

Figura 4. Secadores solares indirectos por convección natural y mixta

Secadores solares indirectos por convección natural (izquierda) y mixta (derecha). Fuente: ITDG-Group.

Para equipos pequeños o medianos se pueden lograr velocidades de aire de 0,4 a 1m/s al interior de la cámara, pero en los equipos grandes esta velocidad no sobrepasa los 0,1 a 0,3 m/s.

Secado por Convección Forzada

La circulación forzada facilita el diseño en el caso de los equipos de mayor tamaño, así como el control del proceso de secado. La circulación forzada permite mayor libertad en la colocación de los diversos elementos que integran el equipo.

Usando este tipo se pueden obtener velocidades de circulación de aire mucho mayores, facilitando el proceso de secado. Otro aspecto es que se puede durante las 24 horas, lo cual puede ser conveniente en las primeras etapas del secado para eliminar la humedad libre del producto.

Resulta ventajoso hacia el final del proceso de secado, ya que permite una mejor retención de aroma y obtener mayores temperaturas para eliminar la humedad residual. Su principal desventaja es el hecho de que se debe disponer de una fuente de energía eléctrica. El contacto entre el aire y el producto puede hacerse por secado simple, donde el aire circula a lo largo de la superficie del producto que está dispuesto en capas delgadas(productos polvorosos, granulosos o compactos), por combinación de dispersión y raspado en secadores de tambor, o por circulación del aire a través del material, mejorando en este último caso la transferencia de calor y de humedad, aunque la pérdida de carga que sufre el aire es importante.

Suele seguirse como criterio general tomar la opción del secador por circulación natural como primera opción, en caso de que las pérdidas de carga no sean lo suficientemente importantes.

El inconveniente es que en periodos prolongados de escasez solar el calentamiento del aire no sea lo suficiente como para llegar a vencer las pérdidas de carga del secador.

Si se observa que se puede dar este caso, debido a un gran tamaño, a una elevada humedad, o a largos períodos sin sol, se procede a considerar el diseño de secadores mediante circulación forzada, implementando ventiladores en serie al circuito del secador alimentados eléctricamente.

Al mismo tiempo se considera la introducción de una chimenea al final del secador para facilitar la tarea de tiro natural, y alimentación eléctrica con sistemas fotovoltaicos, como elementos complementarios.

Figura 5. Secadores solares indirectos por convección forzada con y sin recirculación.

Convección forzada sin recirculación (izquierda); Convección forzada con recirculación (derecha).

Fuente: Solar drying Handbook.

Figura 6. Sistemas de circulación de aire en colectores