INTRODUCCIÓN
Según la clasificación de la asociación
colombiana de frutas y hortalizas, Colombia se encuentra entre los cinco
primeros países productores de frutas y hortalizas en latino América. A su vez
reporta un alto porcentaje de desperdicios de dichos productos, alcanzando un
58% de pérdidas, (6.1 millones de toneladas) superando el promedio mundial del
45% registrado en el año 2016 [1]. Según Barrett et al, la mayor parte de estos
desperdicios en países en vía de desarrollo se presenta en etapas tempranas del
proceso agroindustrial (almacenamiento, refrigeración, transporte) [2]. Estas
pérdidas generan desperdicio no solo en el producto recolectado sino también
gasto innecesario de los recursos utilizados en su proceso de cosecha y pos
cosecha.
El departamento de Boyacá es una de las
regiones de Colombia con mayor participación de cultivo de frutales
caducifolios. El departamento cuenta con aproximadamente 3.000 ha plantadas de
peral, duraznero, ciruelo y manzanero [3], así mismo es uno de los que cuentan
con mayor participación de perdida nacional, reportando un promedio de pérdidas
en post-cosecha del 5 al 10% de la producción global [5], el municipio de Nueva
Colon, dado sus condiciones ambientales de altitud, temperatura y humedad
relativa, puede producir hasta tres cosechas al año a causa de sus lluvias
prolongadas, las cuales generan temperaturas uniformes a lo largo de todo el
año. [9]. En la actualidad el municipio de Nuevo Colón es catalogado como el
mayor productor de dichos frutos en el país [6].
El cultivo de manzano es uno de los
frutales caducifolios de mayor producción en el departamento de Boyacá, siendo
el tercero más importante por debajo del durazno y el ciruelo [3]. El municipio
de Nuevo Colón cuenta con condiciones de temperatura entre 14 y 20 °C, brillo
de sol entre 800 y 2.000 horas anuales y humedad relativa entre 13,5 y 85%.
Estas condiciones han favorecido su cultivo en la región pues se acercan a las
condiciones óptimas para el crecimiento de dicho fruto en el país [8][6][3].
Gran parte de esta producción de manzano se
desperdician en etapas iniciales del proceso. En el municipio de Nueva Colón se
identificó como principales factores problemáticos causantes del alto índice de
residuos generados de frutales caducifolios los siguientes puntos: deficiencias
asociadas a la falta de recursos genéticos, nula formación de talento
especializado en el manejo de dichos frutos, poca eficiencia en la tecnología
existente, y problemas en el manejo de plagas y enfermedades [3]. Dichos
problemas han venido identificándose desde instituciones de investigación y
federaciones agrícolas del país y buscan a partir de proyectos de investigación
dar solución al aprovechamiento o disminución de los residuos generados de
estos productos [4].
Los frutales caducifolios son frutos que
contienen grandes cantidades de agua, alcanzando hasta un 80% cuando el fruto
está maduro. Dicho contenido de agua clasifica a estas frutas como materia
perecible, aumentando así la probabilidad de deteriorarse más fácilmente y
volviendo más propenso la obtención de plagas y enfermedades asociadas a las
mismas [11].
Para reducir estos problemas y dar mayor
vida a dichos frutos se ha venido incorporando procesos de refrigeración y
acondicionamiento a los sistemas de almacenamiento y transporte. Uno de los
procesos más comunes y actualmente más usados es el secado. Este proceso aparte
de alargar la vida del producto y la seguridad alimentaria cuenta con múltiples
beneficios como: reducción de peso, reducción de costo es almacenamiento y
transporte, reducción de generación de plagas y enfermedades asociadas a
agentes microbianos y en muchos casos conservación total de las propiedades y
nutrientes del producto. Además, el proceso de secado requiere un alto consumo
energético en la producción de manzanas deshidratadas, por lo que estudios para
mejorar la eficiencia y disminuir costos son relevantes.
En el estudio de secadores solares se tiene
en cuenta variables aleatorias como la velocidad y dirección del viento, las
cuales pueden ser descritas mediante funciones de probabilidad [17], otra
variable aleatoria que interviene es la radiación solar [17], tradicionalmente,
el secado con energía solar es uno de los procedimientos técnicos más usados en
la conservación de alimentos, ya que debido a su disponibilidad disminuye los
costos por consumo de
energía [16]. La caracterización de la zona
específica en la que opera el secador (Nuevo Colón) puede contribuir para
determinar los vientos y radiación del mismo. Algunos secadores que operan en
Boyacá requieren el uso de paneles fotovoltaicos, estos paneles son más
eficientes si se baja su temperatura con un sistema de irrigación [18] y para
almacenar energía los secadores utilizan un sistema de piso radiante, el cual
puede ser analizado utilizando correlaciones de transferencia de calor basados
en intercambiadores de calor en espiral [19].
Acorde a la información recolectada sobre
la radiación solar y velocidad del viento se modela un secador solar mixto el
cual operara en el municipio de Nuevo Colón Boyacá. El modelado se basa en un
balance de energía de los componentes principales del secador, y el balance de
transferencia de masa de las manzanas. Los resultados se utilizan para
determinar la perdida de energía y masa de las manzanas, y la eficiencia del
secador solar.
MÉTODOS
El análisis de secadores solares puede ser
realizado a través de un modelo numérico del fenómeno físico del proceso de
secado, dicho modelo generalmente se valida a través de un proceso de
experimentación, sin embargo el proceso experimental toma tiempo, requiere de
calibración, puesta a punto de instrumentos y algunas veces resulta costoso.
Por otro lado el modelado matemático y numérico permite representar fenómenos
físicos que ocurren en el interior del secador, posibilitando el estudio del
fenómeno de secado y permitiendo predecir diferentes escenarios. En este
trabajo, el modelo numérico desarrollado permite reproducir fenómenos de
transferencia de calor y masa [12]. El modelo CAD renderizado del secador solar
se puede apreciar en la Figura 1. Dicho modelo CAD se ilustra para describir la
geometría del secador, el cual se compone de dos partes fundamentales, en
primer lugar un colector solar, en donde ingresa el aire a temperatura ambiente
y se calienta por medio de energía solar térmica, en segundo lugar se encuentra
la cámara de secado, en donde se ubica el producto a secar, en este caso
manzanas, cortadas en rodajas y dispuestas en bandejas; el aire caliente
proveniente del colector solar entra a la cámara de secado por la parte
inferior y es expulsado por la parte superior, después de haber interactuado
con las manzanas, de tal forma que el aire a la salida tendrá un contenido de
humedad mayor heredado de las manzanas y el producto tendrá un contenido de
humedad menor deseado en el proceso de secado. El modelo matemático del secador
solar se divide en dos secciones, en la primera sección se estudia el colector
solar y en la segunda sección se estudia la cámara de secado.
2.1.
Balance de energía del colector solar
El balance de energía del colector se
realiza para tres elementos cubierta, el aire y placa absorbente. La Figura 2
muestra un diagrama del colector en cual se analizan las interacciones
energéticas que incluyen transferencia de calor entre la cubierta, el aire y la
placa absorbente.
Figura 2. Balance de energía del colector [12].
A continuación se presentan las ecuaciones
del balance de energía de cada uno de los componentes. Para la modelación
matemática del colector: se considera un modelo en estado estacionario, un
modelo termodinámico del aire como gas ideal y la placa absorbente se considera
isotérmica por lo que el flujo de calor se realiza en la dirección vertical. En
la modelación numérica de la cámara de secado se uso un modelo en estado
transitorio, para flujo laminar un modelo térmico para el aire como gas ideal y
la masa del producto varía de acuerdo con el contenido de humedad y temperatura
del producto.
2.1.1.
Ecuaciones del colector.
El balance de energía para la cubierta se
muestra en la ecuación (1) como la suma de los siguientes términos: las
pérdidas superiores entre la cubierta y el medio ambiente. Estas incluyen las
pérdidas por radiación, convección y el angulo de incidencia, la transferencia
de calor por convección entre la cubierta y el aire, y por radiación entre la
cubierta y el aire. El balance de energía del aire se muestra en la ecuación
(2) representado por la transferencia de calor por convección entre el aire con
la placa y la cubierta, y el balance de energía para la placa se muestra en la
ecuación (3) que se representa por la suma de la transferencia de calor por
convección entre la placa y el aire, la transferencia de calor por radiación
entre placa, cielo y cubierta, y las pérdidas inferiores iguales a la energía
absorbida por la placa en forma de radiación solar.
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(1)
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(2)
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(3)
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2.2.
Balance de energía de la cámara de secado
Los elementos de la cámara de secado son
cubierta, aire y producto, a continuación se muestra el balance de energía para
el aire en la ecuación (4) y para el producto en la ecuación (5).
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|
(4)
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|
|
(5)
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2.3.
Balance de masa del producto secado
El contenido de agua del producto se
transfiere por gradientes de concentración, el vapor de agua se mueve de los
puntos de mayor concentración a los de menor concentración. La ley de Fick
describe como la masa se transfiere dentro de un medio poroso [14].
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|
(6)
|
Algunos parámetros son tomados de
literatura y otros son calculados para realizar el modelo. Las propiedades
térmicas del producto se muestran en la Tabla 1 y los parámetros utilizados en
el balance de energía y masa se presentan en la Tabla 2.
Los valores se tomaron para condiciones
estándar de funcionamiento y la sumatoria de pérdidas exteriores que se
presenta en la ecuación (1) han sido calculados como un solo término mostrado
en la ecuación (7) [12]. Los valores fueron calculados para un número de
Reynolds inferior a 2000 en el que el flujo es laminar.
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(7)
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Tabla 1. Propiedades térmicas de la manzana.
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Propiedades
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Símbolo
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Unidades
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Valor
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Densidad de la mazana Golden D [7]
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845
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Conductividad térmica de la mazana Golden
D[7]
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0.427
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|
Calor específico de la mazana Golden D
[7]
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|
3.58
|
|
Difusividad efectiva a 30°C [15]
|
|
|
|
|
Difusividad efectiva a 30°C [15]
|
|
|
|
Fuente. [7], [15].
RESULTADOS
El sistema se resuelve utilizando el
algoritmo presentado por Guarin [12], y se determina el rendimiento térmico del
colector usando la ecuación (8) El rendimiento del colector se define como la
relación entre la potencia que entra en forma de radiación solar y la potencia
obtenida a la salida, cuantificada por el flujo másico de aire caliente por el
gradiente de temperatura como se muestra en la ecuación (9).
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(8)
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|
|
(9)
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Para la temperatura ambiente característica
en el municipio de Nuevo Colon de 20°C, un colector de 1 m de ancho, 0,1 m de
alto y 3 m de largo. Se obtuvo un calor útil 
de 250W y el rendimiento térmico del colector 
de 16,13 %. Los
valores están ajustados a valores de rendimiento típicos para estas regiones.
La cámara de secado se diseña tomando
condiciones similares a las del colector. El valor de difusividad efectiva
mostrado en la Tabla 1 es dependiente de la temperatura, la cual se puede
calcular utilizando una ecuación tipo Arrhenius [12].
La difusividad efectiva es dependiente de
la temperatura por lo que se linealiza utilizando una transformada logarítmica.
El valor del coeficiente de la difusividad efectiva es de 
y la energía de
activación es de 32,11 kJ/mol.
Tabla 2. Propiedades térmicas del sector solar
[12].
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Propiedades
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Símbolo
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Unidades
|
Valor
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|
Conductividad del aire
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|
|
0.024
|
|
Densidad del aire
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|
|
1.147
|
|
Coeficiente de transferencia de calor por
radiación entre la cubierta y el cielo
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|
|
0.014
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|
Coeficiente de transferencia de calor por
convección interno
|
|
|
0.87
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|
Coeficiente de transferencia de calor por
convección externo
|
|
|
11.8
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Radiación solar incidente
|
|
|
500
|
|
Pérdidas superiores
|
|
|
5.9
|
|
Pérdidas inferiores
|
|
|
1.25
|
|
Número de Reynolds
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|
-
|
1877
|
Fuente. [12].
La Figura 3 presenta el cambio de
temperatura para los principales elementos de la cámara de secado, que son las
temperaturas en la cubierta, el aire interno y las manzanas. La temperatura es
menor hacia la cubierta porque es un elemento de gran área que se encuentra en
contacto con el medio ambiente. El aire viene caliente del colector por lo que
su temperatura es mayor y esta se estabiliza con el tiempo, de igual forma la
temperatura en las manzanas aumenta debido al intercambio energético dado por
la interacción con el aire.La Figura 4 presenta la variación de temperatura
para los elementos cubierta, aire y placa a lo largo de un colector inclinado
20°C. La temperatura de la placa tiene un leve descenso desde 79,4 hasta
72,83°C mientras la temperatura del aire y la cubierta aumentan. El incremento
de la temperatura del aire es de 11, 6 °C y el de la cubierta de 19,23 °C.
La Figura 5 presenta pérdida del contenido
de humedad del producto, las manzanas pierden alrededor de 0,28 kg de agua/ kg
de producto seco durante 7 horas.
Figura 3. Cambio de temperatura en la
cámara de secado. Fuente. Autores.
Figura 4. Cambio de temperatura a lo largo
del colector. Fuente. Autores.
Figura 5. Cambio de contenido de humedad
del producto. Fuente. Autores.
CONCLUSIONES
La preservación de alimentos ha sido un
problema de gran importancia en la sociedad, el secado se presenta como una
alternativa para solucionar este problema. El proceso de deshidratación de
alimentos requiere grandes cantidades de energía y en este estudio se utiliza
la energía solar como energía limpia para realizar este proceso de forma más
eficiente. Esta investigación muestra el uso de métodos numéricos para estudiar
los fenómenos de transporte de energía y masa en en un dispositivo de secado
solar. El estudio se realizó para los componentes principales que son el
colector y la cámara de secado. El algoritmo presentado permitió cuantificar el
valor de la energía suministrada por el colector y su eficiencia, también se
determinó el cambio de temperatura para los productos contenidos a lo largo del
tiempo para la cámara de secado. Se tomaron condiciones ambientales de Nuevo
Colón, acordes a la investigación presentada se observó que la manzana
incrementaba su temperatura en el orden de 7 °C, y debido a esto se estima
necesario el suministro de energía de una fuente adicional. Adicionalmente,
esta investigación presenta la metodología para calcular la energía de
activación que es igual a 32,11 kJ/mol y el coeficiente de la ecuación tipo
Arrhenius es , estos parámetros
son esenciales para determinar la pérdida de humedad de las manzanas en un
rango de temperatura de 30 a 50°C, los dos en conjunto permiten determinar la
energía mínima para iniciar el procesos de secado y la razón de pérdida del
contenido de agua de las manzanas.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a cada una de las instituciones
de las que hacen parte los autores por el apoyo para proyectos de investigación
y participación en Congresos Académicos, a su vez agradecemos a la Universidad
Santo Tomas Seccional Tunja por el apoyo brindado con el proyecto de
investigación titulado: “Diseño y Construcción de un secador híbrido
Solar-Biomasa para manzanas en el municipio de Nuevo Colón Boyacá” financiado
con la XVIII Convocatoria Interna de Proyectos de Investigación de 2016.
REFERENCIAS
[1] Departamento Nacional de Planeación
-DNP, Informe de Desperdicio de Alimentos en Colombia, 2016.
[2] Barrett, D. M., Lloyd, B., “Advanced preservation
methods and nutrient retention in fruits and vegetables,” Journal of the
Science of Food and Agriculture, vol. 92, no. 1, pp. 7-22, 2012.
[3] Sociedad Colombiana de ciencias
hortícolas (SCCH), los frutales caducifolios Situación actual, sistemas de
cultivo y plan de desarrollo en Colombia, 2013.
[4] Sociedad Colombiana de ciencias
hortícolas (SCCH), Asociación Hortifrutícola de Colombia (ASOHOFRUCOL),
Diagnóstico comparativo del estado actual de los sistemas productivos de
frutales caducifolios: manzano (Malus sp.), peral (Pyrus sp.), duraznero
(Prunus sp.) y ciruelo (Prunus sp.) en Colombia, estrategias de difusión y planeación
del desarrollo de estos cultivos.
[5] PFN, Desarrollo de la fruticultura en
Boyacá. Tunja, Colombia,2006.
[6] Puentes, G., L.F. Rodríguez y L.
Bermúdez. “Análisis de grupo de las empresas productoras de frutales
caducifolios del departamento de Boyacá,” Agron.
Colombía, vol. 26, no. 1, pp. 146-154, 2008.
[7]H.S.Ramaswamy, M.A.Tung,Thermophysical Properties of
Apples in Relation to Freezing,1981
[8] Fischer, G. “Técnica de suprimir el
reposo invernal del manzano en el altiplano colombiano,” Proc. Interamer.
Soc. Trop. Hort, vol. 36, pp. 49-54,1992.
[9] Fischer, G., F. Casierra-Posada y C.
Villamizar, “Producción forzada de duraznero, Prunus pérsica L. Batsch en el
altiplano tropical de Boyacá, Colombia,” Rev. Colomb. Cienc. Hortíc,vol.
4, no. 1, pp. 19-32, 2010.
[10] Ávila, C. y A. Robles,
“Caracterización y tipificación de los sistemas productivos de manzano (Malus
sp.), pera (Pyrus sp.), durazno (Prunus sp.) y ciruelo (Prunus sp.) en
Colombia,” Trabajo de grado. Facultad de Agronomía, Universidad Nacional de
Colombia, Bogotá, 2012.
[11] V.Orsat,V.Changrue,G.S,Vijaya ,Microwave drying of
fruits and vegetables, 2006
[12] P. J. Garcia-Guarin, S. L. R. Prat and
P. C. Andrade, “Modelación matemática de secador de túnel tipo Hohenheim solar
biomasa para plantas aromáticas,” En: VII Congreso Internacional Ingeniería
Mecánica, V Congreso Ingeniería Mecatrónica y V Congreso Materia Energía y
Medio Ambiente, Cartagena, Colombia, pp 1-4, 2015.
[13] H. Kopka and P. W. Daly, A Guide to LATEX, 3rd ed.
Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
[14] Doymaz, Ibrahim. Thin-layer drying behaviour of mint
leaves, Journal of Food Engineering, Colombia, pp 1-4, 2006.
[15] C. I. C. Monzón, “Influencia del método
de secado en parámetros de calidad relacionados con la estructura y el color de
manzana y fresa deshidratadas,” Ph.D. dissertation, Departamento de tecnología
de alimentos, Universitat Politécnica de Valencia, Valencia, España, 2006.
[16] P. J. Garcia-Guarin, S. L. R. Prat and
P. C. Andrade, “Implementación del secador solar de túnel tipo Hohenheim en
productos agrícolas: Revisión de literatura,” Revisión de literatura. Puente,
vol. 10, no 1, pp. 7-19, 2017.
[17] P. Vergara-Barrios, J. M. Rey-López, G.
A. Osma-Pinto, G. Ordóñez-Plata, “Evaluación del potencial solar y eólico del
campus central de la Universidad Industrial de Santander y la ciudad de
Bucaramanga, Colombia,” Rev. UIS Ing., vol. 13, no. 2, pp. 49-57,
2014.
[18] G. Osma, C. Flórez, W. Rojas, J.
Flórez, G. Ordoñez, “Mejoramiento del desempeño de paneles fotovoltaicos a
partir de la irrigación forzada de la superficie superior,” Rev. UIS
Ing., vol. 16, no 2, pp. 161-171, 2017.
[19] J. Ardila, D. Hincapie, “Spiral Tube Heat Exchanger,” Rev.UIS
Ing., vol. 1, no 2, pp. 204-212, 2002.