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1. INTRODUCCIÓN
A medida que los combustibles fósiles comienzan a escasear las energías renovables empiezan a tener mayor fuerza en el desarrollo industrial [1]. Esto se debe a que las energías renovables presentan una contaminación nula de CO2 [2], pero, además, son fuentes de libre acceso y obtención que se encuentran disponibles en nuestro planeta [3]. Adicionalmente, sus bajos costos de obtención representan un factor importante en la utilización y el consumo de las energías renovables [4].Las energías renovables son fuentes limpias [5], relativamente inagotables. Su crecimiento es progresivo y genera una gran expectativa en cuanto a las posibilidades de ser una alternativa a los combustibles fósiles. Por esta razón, cada vez más industrias invierten e implementan estas tecnologías en sus planes de desarrollo. Un ejemplo característico lo representa la industria agrícola, en específico con la utilización de la energía solar para la deshidratación de frutos [6].
El deshidratador solar
Es una máquina que nos permite secar alimentos y conservar a su vez sus propiedades, con el fin de prevenir su descomposición, de modo que se alarga el tiempo de vida de estos. El deshidratador aprovecha la energía solar para transformarla en calor útil mediante el efecto invernadero [7]; este calor eleva la temperatura del aire que se encuentra al interior del deshidratador; al circular dicho aire por los alimentos provoca una evaporación del agua contenida en el producto [8].Existen diversos tipos de deshidratadores. Entre estos se pueden mencionar los siguientes: tolva cilíndrica, bandeja o cabina, lecho fluido, atomizador, de tambor alimento cuchillo, de cinta sin fin u horno, entre otros. La selección del equipo más idóneo depende de las características fisicoquímicas y organolépticas, así como del porcentaje de humedad y del producto final que se desea obtener [9].
La principal desventaja de estos equipos es la demanda de materiales contaminantes y el uso de energía eléctrica para su funcionamiento. Al considerar los objetivos de nuestra investigación se ha seleccionado un equipo deshidratador de bajo costo que utilice energías renovables para su funcionamiento. El deshidratador con energía solar es propicio para frutas y verduras, con un rendimiento superior a una tonelada por día de producto, dependiendo de la selección del equipo [10].
La fruta deshidratada (figura 1) es una manera de conservar las propiedades y las características fisicoquímicas, además de representar un ahorro en temas de transporte y almacenamiento. Este procedimiento se lleva a cabo al reducir el grado de humedad de estas y actuar sobre tres elementos determinantes como lo son la temperatura, el aire y la humedad [11]. Se debe considerar que los frutos a deshidratar deben mantener una temperatura constante de 35° a 60 °C, a fin de no perder propiedades, como, por ejemplo, las vitaminas.
Fuente: Dube, T. (2011). Healthy Dehydrated Fruit. http://www.housingaforest.com/healthy-dehydrated-fruit/
FIGURA 1 FRUTA DESHIDRATADA
2. METODOLOGÍA
Los deshidratadores con energía solar se clasifican en dos tipos: directo e indirecto [12]; para el propósito de esta investigación tomaremos el deshidratador solar indirecto como referencia, ya que la exposición directa de la radiación solar sobre los productos provoca una disminución en las vitaminas y en su coloración, lo que limita su comercialización en el mercado.
Deshidratador solar indirecto
En los deshidratadores solares indirectos (figuras 2, 3) el aire se calienta en el colector, el mismo que no se encuentra en contacto directo con el producto [13]. Al no estar en contacto directo se producen pérdidas de calor por convección, lo cual reduce el tiempo de calentamiento del aire y, a su vez, conlleva al aumento en el tiempo de deshidratación del producto al reducir la eficiencia del equipo [14].
Fuente: Moreno, G. (2000). Secador solar indirecto. https://www.feriadelasciencias.unam.mx
FIGURA 2 DESHIDRATADOR SOLAR INDIRECTO
Fuente: Rois, R. (2016). Deshidratador Solar. https://www.behance.net/gallery/52604419/Deshidratador-Solar
FIGURA 3 ESTRUCTURA DE UN DESHIDRATADOR SOLAR INDIRECTO [15]
De esta manera, se ha considerado prudente utilizar aislantes térmicos que permitan reducir estas pérdidas.
Totora
Conocida como Schoenoplectus californicus (totora) (figura 4), se trata de una planta herbácea perenne acuática que es muy común en los esteros y pantanos de América del Sur [16]. Antiguamente se utilizaba para fabricar utensilios de comida. En la actualidad se emplea en la fabricación de papel artesanal y como desinfectante de agua, ya que sus raíces absorben metales pesados y bacterias.
Otro de los usos de esta planta es la fabricación de embarcaciones, muebles, adornos, sombreros y souvenirs muy cotizados por los turistas [17].
La totora presenta propiedades aislantes que, en un principio, se utilizaron para recubrir los techos de casas tradicionales con el fin de mantener el aislamiento térmico en las edificaciones.
Recientemente, se ha considerado esta planta en la arquitectura debido a su flexibilidad, durabilidad y aislamiento térmico [17].
En la actualidad existe una vasta gama de materiales que podrían servir como aislantes térmicos sintéticos, pero si se tiene en cuenta la necesidad de combatir el cambio climático, se ha dado preferencia al estudio de materiales naturales con propiedades y características interesantes, como, por ejemplo, la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión y el aislamiento térmico; asimismo, que sean amigables con el medio ambiente. Por tanto, en la presente investigación se ha seleccionado la totora ya que cumple con todos los requerimientos estipulados para considerarla en el marco de la investigación un material aislante en un deshidratador solar indirecto de frutas. Mediante procesos de simulación de pérdida de calor se determinará la factibilidad para el uso de la totora como un aislante térmico eficiente en el equipo.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Al usar como referencia los meses de noviembre y diciembre, y tener en cuenta las condiciones climáticas de Riobamba, en la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior Politécnica del Chimborazo (ESPOCH), se estimaron datos base para la temperatura promedio de la simulación mediante un termómetro higrómetro digital (figura 5). Los valores de temperatura mínima y máxima adquiridos fueron de 8,5 °C y 24 °C, respectivamente. Estos datos se contrastaron, a fin de corroborar su veracidad, con información producida por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología del Ecuador (INAMHI), organismo regulador y de control de las condiciones meteorológicas del Ecuador, tal como se presenta en la figura 6.
Fuente: INAMHI. (2018). http://186.42.174.241/InamhiPronostico/
FIGURA 6 DATOS METEOROLÓGICOS RIOBAMBA [19]
Consideraciones de transferencia de calor
Se estima que la temperatura interna del deshidratador solar no debe sobrepasar los 60 °C para conservar las propiedades fisicoquímicas de los frutos a procesar [20]. Estos han sido seleccionados de acuerdo con criterios obtenidos mediante requerimientos de las comunidades agrícolas de Penipe, provincia de Chimborazo (Ecuador) (figura 7).
Fuente: Autor. (2018). Frutos Comunidades Agrícolas Penipe, Ecuador.
FIGURA 7 FRUTOS COMUNIDADES AGRÍCOLAS PENIPE, ECUADOR
Para el análisis de deshidratación de las frutas mediante el equipo solar mencionado se debe tomar en cuenta el factor de transferencia de calor por convección natural (coeficiente convectivo), ya que este influirá proporcionalmente en la dirección del movimiento del fluido. A fin de calcular la transferencia de calor se utiliza la ecuación 1.
Donde:
h∞ = Coeficiente convectivo
T w = temperatura pared del solido
T f = temperatura filmica
A = Área
Al realizar el proceso de simulación y aplicar una capa de aislamiento de 8 mm compuesta por totora (fibra natural seleccionada para este estudio), se observa que la temperatura en el interior del deshidratador solar indirecto varía de forma considerable.
El equipo que no contenía el aislante térmico (figura 8) presenta una temperatura de 33 °C, si se toman en consideración los parámetros mencionados en este trabajo.
Fuente: Autor. (2019). Simulación Deshidratador Solar sin aislamiento.
FIGURA 8 SIMULACIÓN DE UN DESHIDRATADOR SOLAR INDIRECTO SIN AISLAMIENTO TÉRMICO
Ahora bien, si se aplica la simulación en el deshidratador solar indirecto con la fibra natural de totora como aislante térmico, la temperatura asciende de 33 °C a 40 °C, tal como se observa en la figura 9. De esta manera, es posible corroborar los criterios por los que un aislante térmico natural puede aumentar la eficiencia de un equipo para deshidratar frutos con energía solar.
4. CONCLUSIONES
Los equipos deshidratadores solares indirectos son una alternativa apropiada para suplir las necesidades de los productores agrícolas, en el propósito de reducir las pérdidas de producto y aumentar la eficiencia, si se tienen en cuenta las consideraciones ambientales y energéticas.
Mediante simulaciones y la utilización de la totora como material de aislamiento térmico 100 % natural en el equipo deshidratador solar indirecto se obtuvo un aumento del 20 % en la temperatura interna, pues se pasó de 33 °C a 40 °C, lo cual es beneficioso en términos de tiempo de deshidratación al tiempo que lo acelera y, por ende, aumenta la eficiencia.
En fin, se determinó que al aplicar una capa de 8 mm de espesor de totora se produce un aumento en la eficiencia en el aislamiento térmico del equipo.
