Familia de secadores solares SecSol

Por María del Carmen
Delgado González,
Guillermo Leiva Viamonte, Zahymy Perdigón Artigas
y Luis Bérriz
tel.: (537) 2046000
y 2046011, ext.
121.
e-mail: leiva@solar.copextel.com.cu y mari@solar.copextel.com.cu

Cuba fortalece y aprovecha
sus posibilidades para secar con el Sol.

 


El secado de productos empleando la radiación solar tiene importantes antecedentes
en Cuba, y entre ellos se destacan los exitosos trabajos experimentales del Centro
de Investigaciones de Energía Solar (CIES), de Santiago de Cuba, entre 1984 y 1993, seguidos por el Grupo Solar del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), en La Habana, y más recientemente por el Grupo de Energía Solar de CUBAENERGÍA.

A partir de estas experiencias se han desarrollado varias decenas de secadores solares
de distintas capacidades y características, correspondiendo con las aplicaciones a las que se han destinado, como el secado de maderas, plantas medicinales y semillas, entre otras (Fig. 1).



Fig. 1. Secador experimental para madera desarrollado
por el Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES),
de Santiago de Cuba en 1984.


Sin embargo, su desarrollo comercial ha estado lastrado por varios factores, entre los
que se destacan la escasa difusión de los resultados y el limitado conocimiento por los posibles usuarios de las ventajas del secado solar; la tendencia a subestimar los resultados de las investigaciones nacionales; la preferencia de los productores por el proceso convencional «rápido» de secado mediante combustión de diésel u otros combustibles, y la errónea concepción de que los secadores convencionales altamente automatizados son más eficientes y efectivos que el secador solar. Mientras tanto, SecSol, la familia de secadores solares multipropósitos, es ya una realidad.

La empresa comercial EcoSol Solar, de la Corporación COPEXTEL, y CUBAENERGÍA,
del CITMA, han unido sus esfuerzos para desarrollar un producto comercial con alto rendimiento productivo (Fig. 2), sin ningún consumo directo de combustible y bajo consumo de electricidad, que garantiza un secado uniforme de una amplia gama de productos a lo largo de un ciclo de secado continuo, y con un precio muy atractivo. CUBAENERGÍA ha aportado la tecnología de secado solar desarrollada y probada durante veinte años de investigaciones y demostraciones, en tanto EcoSol Solar ha puesto a disposición del desarrollo de este producto su ingeniería y su estructura de comercialización y servicios técnicos.


Fig.2. Secador solar para madera SecSol en el aserrío Mil Cumbres,
de la Empresa Nacional de Flora y Fauna, en Pinar del Río.

Ventajas de los secadores solares
Ventajas del secado artificial o deshidratación (en general)
–La calidad del producto deshidratado es generalmente superior cuando se selecciona una buena tecnología del proceso.
–La velocidad de secado suele ser mucho mayor y disminuye considerablemente el tiempo de secado, lo que influye tanto en la calidad como en el costo del producto.
–Las condiciones sanitarias y nutritivas (en caso de alimentos) son mejores porque el producto no está expuesto a la acción directa del sol, la lluvia, el polvo y los insectos.
–El área utilizada en la deshidratación es varias veces menor que la empleada en el secado natural.
–Las operaciones de deshidratación son más sencillas y pueden automatizarse.

Desventajas del secado artificial convencional (usando combustibles fósiles
y residuales)

–Alto costo de instalación, tanto por la cámara de secado como por la caldera, hornos, plantas de tratamiento de residuales o calentadores de aire.
–Alto costo de producción, en caso de que consuma petróleo o electricidad para el calentamiento del aire y el producto.

Ventajas del secador solar SecSol
Reúne la mayoría de las ventajas de los deshidratadores convencionales, sin consumir energía convencional para el calentamiento del aire o el producto. La amortización de la inversión inicial se logra en menos de dos años por el aumento del precio de venta del producto derivado de la ganancia de calidad, ya que el costo de inversión es muy bajo
(si se compara con secadores convencionales), y los costos de operación son bajos también al no emplear combustibles.

Principio de funcionamiento
Como en cualquier secador convencional, los secadores solares SecSol basan su operación en tres procesos que se superponen.

El calentamiento de aire en el secador solar se realiza mediante la circulación del aire
a través de una cámara de calentamiento formada por una cubierta de policarbonato celular transparente y una superficie captadora hecha de chapas de acero ennegrecidas, que en conjunto forman un cuerpo o cámara de absorción de la radiación solar que entra por la cubierta, con intenso efecto de invernadero. Al inicio del proceso una masa de aire con humedad relativa ambiental se hace entrar a una cámara de secado con paredes térmicamente aisladas, y su humedad relativa disminuye rápidamente al hacerse circular
a través de la cámara superior de calentamiento.

El secado del material (colocado en bandejas o capas en carros portadores a lo largo de la cámara de secado, ubicada debajo y a lo largo de la cámara de calentamiento) se realiza por el paso continuo del aire caliente a través del material, que produce un intenso proceso de intercambio de calor y masa, durante el cual la humedad superficial del material se incorpora al aire por evaporación, en la medida en que el aire transfiere su calor.

La sucesiva recirculación a una velocidad definida, impulsado por un ventilador centrífugo
y un sistema de conductos de distribución, a través de las capas del producto que se debe secar, hará que a medida que la humedad relativa del producto disminuya, la del aire aumente, llegando a un punto en el que será necesario renovar este aire para restablecer
el gradiente de humedad entre ambas masas y asegurar la continuidad del proceso.

La renovación se asegura mediante un dispositivo de control de la humedad del aire que acciona el arranque o parada de dos ventiladores centrífugos (uno de extracción y otro de inyección), los que fuerzan a cierta masa de aire exterior a través de un intercambiador de calor del tipo de placas, que en un tiempo corto renueva el aire húmedo y relativamente caliente del interior de la cámara por aire «fresco» y húmedo exterior, ahora precalentado, para nuevamente establecer el proceso que en la práctica es ininterrumpido.

La difusión continua de la humedad interior del material hacia la superficie por capilaridad asegura que al final de un ciclo completo la humedad relativa de toda la masa de material habrá disminuido de modo homogéneo hasta los valores aceptables para su empleo comercial.

El secado quedará completado cuando el producto alcance la baja humedad preestablecida según las exigencias comerciales o de uso (humedad de equilibrio), y que se controla por medios directos (dispositivo de medición de humedad insertado en la masa) o indirectos (muestras testigos de material y métodos de laboratorio apropiados).

Como se muestra en los gráficos 1 y 2, el secado solar no sigue una curva de disminución continua de humedad, ya que no es posible mantener de modo estable durante las 24 horas del día la temperatura y humedad del aire. Pero en la práctica el proceso de secado no se interrumpe: durante las horas de sol se intensifica el secado superficial por un mayor calentamiento del aire, en tanto que durante la noche se intensifica la difusión de la humedad desde el interior del material hacia su superficie a medida que el material que
se seca cede parte de su calor al aire, lo que mantiene su capacidad de absorción de humedad. Ello resulta en que el secado solar de madera, por ejemplo, transcurre en un tiempo entre diez y quince días, un tiempo similar al que se emplea en el secador convencional.



Gráfico 1. Curvas experimentales de secado de madera en un secador convencional de petróleo.
Variación del tiempo de secado según el espesor del material.
Gráfico 2. Curva típica de secado de madera en un secador solar.

El tiempo de secado depende de muchos factores. Entre los principales se halla la humedad inicial del producto que se debe secar, las características físicas propias del producto, sus dimensiones (espesor), la distancia entre los pedazos que hay que secar,
y las condiciones climáticas que afectan la radiación solar, como la latitud del lugar de emplazamiento, que define su ángulo de incidencia, la frecuencia de días nublados, el régimen pluviométrico y la duración del día y la noche (Fig. 3).


Fig. 3. Para el proceso de secado es importante
conocer la humedad inicial del producto


La familia SecSol. Características técnicas
Los modelos básicos de la nueva familia de secadores solares multipropósitos SecSol
se identifican por la siguientes características:

Todos los modelos cuentan con cámaras modulares de 2,8 m de ancho y 2 m de altura nominal (altura útil de carga), construidas con paneles autoportantes tipo sándwich de chapas de acero pintadas y con poliuretano expandido de alta densidad, que aseguran su aislamiento térmico con el fin de reducir pérdidas de calor al exterior y un montaje fácil y rápido.

La longitud de cada uno de los tres modelos básicos, diseñados principalmente para el secado de madera, permite la entrada de carros portadores de tablones usando vitolas
de 4 m de largo. Los carros disponen de ruedas de alta resistencia mecánica y a la temperatura, una robusta estructura para soportar la carga de producto, y se desplazan (entrando y saliendo de las cámaras) con auxilio de un sistema de tracción mecánica que humaniza esta labor.

Por su posibilidad de crecer modularmente pueden suministrarse secadores integrados por una y hasta seis cámaras (construcciones más comunes), aunque pueden adicionarse tantas cámaras paralelas como se desee. Las cámaras múltiples comparten las paredes intermedias, lo que permite el ahorro energético y de materiales de construcción.

Para elevar la eficiencia energética global durante cada ciclo de secado estos equipos pueden contar, como ya se mencionó, con un intercambiador para la recuperación del
calor del aire que se extrae después de alcanzar la humedad relativa límite, y que es renovado con aire exterior fresco. Este recuperador puede reutilizar hasta 20 % de la energía total del proceso y asegura que el aire entrante se precaliente, bajando rápidamente su humedad relativa, por lo que en un tiempo muy corto alcanza parámetros adecuados para participar eficientemente en el proceso de secado. Este intercambiador de diseño compacto y materiales relativamente baratos se ubica en la pared extrema posterior de cada cámara, y en su carcasa se alojan también los ventiladores de renovación (inyector y extractor). Los modelos que incorporan este intercambiador se identifican con una letra R al final de su designación.

Modelos básicos
SecSol 1-5/14. Con cámara de 5 m de longitud, área interior de 14 m2 y un volumen interno útil de 28 m3. Este modelo tiene una capacidad de secado de 5 m3 de madera en cada ciclo, que se montan en un solo carro.

SecSol 1-9/25. Con cámara de 9 m de longitud, área interior de 25,2 m2 y volumen interno útil de 50,4 m3. Este modelo tiene una capacidad de secado de 9 m3 de madera en cada ciclo y puede asimilar dos carros cargados con 4,5 m3 cada uno.

SecSol 1-13/36. Con cámara de 13 m de longitud, área interior de 36,4 m2 y volumen interno útil de 72,8 m3. Este modelo tiene una capacidad de secado de 13,5 m3 de madera en cada ciclo y asimila hasta tres carros cargados con 4,5 m3 cada uno.

Además de los modelos básicos indicados, de escala media y principalmente para el secado de madera, se pueden reducir las dimensiones, capacidades y adaptar la tecnología que se desee aplicar para satisfacer las exigencias específicas del secado de otros productos, como plantas medicinales, semillas, frutas y piensos (Fig. 4 y 5).


Fig. 4. Secado solar de Holoturias (Pepinos de Mar).


Fig. 5. Secado solar de mango.

Igualmente, para aplicaciones especiales es posible diseñar equipos de otras dimensiones unitarias (variando el ancho y largo de las cámaras, para acomodar más de una fila de carros portadores, por ejemplo).

Rendimiento energético y economía
Para ejemplificar el rendimiento energético y la productividad de estos secadores solares se aportan los datos basados en el secado de madera de pino. El secado de cada metro cúbico de madera requiere que se consuma no menos de 106 680 kcal, para extraer una humedad absoluta media inicial de 143 kg/m3 (equivalente a una humedad relativa inicial
de 33 %) y para alcanzar una humedad relativa de salida de 12 %. De estos datos se deriva que si se fuera a realizar el secado usando un combustible fósil como el diésel
(gas oil) se necesitarían no menos de 32 kg/m3 (suponiendo una eficiencia energética global de 35 % en la combustión del gas oil y el posterior intercambio de calor con el aire que participará en el secado), a lo que deberá agregarse el elevado consumo de electricidad en la bomba de combustible y eventualmente en el quemador de la cámara de combustión.
El secado empleando la energía solar produce un efecto directo de ahorro equivalente como mínimo a esta cantidad.

Cada secador (referido al ejemplo del secado de madera) puede producir además un efecto económico significativo por el incremento del precio promedio de la madera secada artificialmente en 30 % con relación a su precio húmeda (equivalente a 61,0 USD adicionales por cada metro cúbico). La tabla 1 muestra el incremento de ingresos anuales y mensuales que produce cada modelo (para una cámara simple de secado de madera), considerando los ciclos de secado con duración promedio de doce días.
Los consumos promedio de energía eléctrica de los secadores SecSOL se muestran
en la tabla 2.





Adicionalmente, en el secado convencional con uso de combustible fósil los consumos
de electricidad son como mínimo comparables a los anteriores (si se expresan como índices específicos de kWh/m3 de madera secada), pero por las características de esa tecnología para controlar la humedad y temperatura (evitando el secado excesivamente rápido del producto) será necesario realizar más renovaciones de aire para atemperarlo
y eventualmente inyectar humedad, lo que producirá inevitablemente mayores consumos de electricidad, y consecuentemente mayores consumos de combustible para extraer la humedad adicional incorporada.

Posibilidades de mercado
La tecnología de los secadores solares multipropósito SecSol puede emplearse en aserraderos de madera; el procesamiento de maderas preciosas para las industrias de muebles; el secado de pastos y forrajes; el secado de semillas comestibles y de usos específicos; el secado (curado) de tabaco; el secado de productos agrícolas, como el café, cacao, coco y otros; la industria farmacéutica, para el secado de plantas medicinales;
la industria química, para el secado de reactivos de procesos; el secado de productos marinos para la industria pesquera, y otras aplicaciones de la industria alimentaria.
Este producto se encuentra en proceso de registro de modelo industrial y su tecnología está amparada por una patente cubana.

EcoSol Solar, empresa cubana en proceso de certificación de su Sistema de Gestión de Calidad según las normas ISO 9001/2001, brinda su soporte de ingeniería para recomendar las características idóneas del secador que se ajusten a las necesidades de su proceso
o producto.