FBA. Tesis y Trabajos de Grado · 2021
Evaluación de un secador solar para granos de cacao (Theobroma Cacao L).
La operación de secado de granos de cacao es una etapa crítica en la postcosecha con el fin de obtener chocolate de alta calidad. Durante ésta, se debe garantizar que los compuestos precursores del sabor y aroma se conserven hasta la etapa de tueste, asegurando la inocuidad del producto. A través de un abordaje teórico y experimental, esta investigación evaluó el desempeño térmico y fluidodinámico de un secador solar para granos de cacao (Theobroma cacao L) acoplado a diferentes sistemas de almacenamiento térmico: depósito de agua en garrafas PET, depósito de parafina, piedras volcánicas y resistencia eléctrica. El sistema sin acoples fue simulado mediante un análisis en CFD evaluando parámetros de flujo y distribución de temperatura. La cinética de secado de los granos de cacao fue evaluada en condiciones de laboratorio a temperaturas controladas de 30, 40, 50 y 60 °C. La velocidad de secado aumentó con el incremento de temperatura; obteniendo valores de difusividad efectiva entre 1,0504 x10- 11 m2 /s y 3,1749 x10-11 m2 /s, energía de activación de 30,187 KJ/mol y factor de Arrhenius de 1,578 x10-6 m2 /s. El sistema auxiliar con parafina y la resistencia eléctrica contribuyeron a mantener la inercia térmica del secador durante las noches, registrando temperaturas entre 5 y 11 oC por encima de la temperatura ambiente exterior. Los resultados del análisis en CFD muestran que regiones de flujo con bajas fuerzas de empuje y flujo estancado dan condiciones adversas para el progreso del secado. Para promover un mejor flujo de aire al interior del equipo, se simula la incorporación de un ducto central de efecto chimenea para la salida del aire húmedo, junto con una modificación en la inclinación del colector. Estas modificaciones logran mejorar la homogeneidad del flujo de aire al interior del secador. Palabras clave: Prototipo; cinética de secado; almacenamiento térmico; dinámica de fluido computacional.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 15
- 1. JUSTIFICACIÓNp. 16
- 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 17
- 3. OBJETIVOSp. 19
- 3.1 OBJETIVO GENERALp. 19
- 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 19
- 4. MARCO DE REFERENCIAp. 20
- 4.1 MARCO TEÓRICOp. 20
- 4.1.1. Producción de cacaop. 20
- 4.1.2 Condiciones climáticas del Tolimap. 20
- 4.1.2.1 Precipitaciónp. 21
- 4.1.2.2 Temperaturap. 21
- 4.1.2.3 Humedad Relativap. 21
- 4.1.2.4 Radiación solarp. 21
- 4.1.2.5 Vientop. 21
- 4.1.3 Postcosecha del Cacaop. 21
- 4.1.3.1 Fermentación del cacaop. 22
- 4.1.3.2 Secado del cacaop. 22
- 4.1.4 Métodos de secadop. 23
- 4.1.4.1 Secado tipo gabinete y colector solarp. 24
- 4.1.5 Análisis térmico de los colectores solaresp. 25
- 4.1.5.1 Calor Útilp. 26
- 4.1.5.2 Transferencia de calor por conducciónp. 27
- 4.1.5.3 Transferencia de calor por convecciónp. 27
- 4.1.5.4 Transferencia de calor y materia en secadop. 28
- 4.1.6 Almacenamiento de Energía Térmicap. 29
- 4.1.7 Sistemas de almacenamiento de energía térmica:p. 29
- 4.1.8 Curvas de secadop. 31
- 4.1.9 Modelos matemáticos de cinética de secadop. 33
- 4.1.10 Difusión y Ley de Fickp. 34
- 4.1.11 Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)p. 35
- 4.1.12 Ecuaciones de gobierno en la dinámica de fluidos computacionalp. 36
- 4.1.13 Modelos de Turbulenciap. 37
- 4.1.13.1 Direct Numerical Simulation (DNS)p. 38
- 4.1.13.2 Large-Eddy Simulation (LES)p. 38
- 4.1.13.3 Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)p. 38
- 4.1.14 Procedimiento general de un modelo CFDp. 39
- 4.1.15 Geometríap. 40
- 4.1.16 Malladop. 40
- 4.1.17 Propiedades del fluido y condiciones de frontera del modelo numéricop. 41
- 4.1.18 Pre-procesamientop. 41
- 4.1.19 Post-procesamientop. 74
- 4.1.20 Aplicación de CFD en sistemas de secado por convecciónp. 42
- 5. METODOLOGÍAp. 44
- 5.1 ÁREA DE ESTUDIOp. 44
- 5.2 CINÉTICA DE SECADOp. 44
- 5.2.1 Material vegetal y adecuación de la muestrap. 44
- 5.2.2 Equipos y procedimientop. 44
- 5.2.3 Determinación del contenido de humedad inicialp. 45
- 5.2.4 Construcción de las curvas de secado y Modelado Matemáticop. 45
- 5.2.5 Coeficiente difusivo (Df) y energía de activación (Ea)p. 47
- DE SECADOp. 47
- 5.3.1 Evaluación y análisis de los sistemas de almacenamiento térmicop. 49
- 5.3.2 Equipo de medición para temperatura y humedad relativap. 49
- 5.3.3 Condiciones climáticas de la zona de estudiop. 50
- 5.4 SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DEL PROTOTIPO DE SECADOR SOLARp. 51
- 5.4.1 Simulación computacional del flujo de aire a través de las bandejasp. 51
- 5.4.2 Dinámica de flujo de aire al interior del prototipo de secador solarp. 52
- 5.4.4.1 Cálculo del coeficiente global de transferencia de calorp. 54
- 5.4.5. Modelado de turbulenciasp. 55
- 5.4.6 Validación del Modelop. 55
- 5.4.7 Post procesamientop. 55
- 5.4.8 Modificación al diseño de prototipo de secador solar propuestop. 56
- 6. RESULTADOSp. 57
- 6.1 CINÉTICA DE SECADO EN CAPA DELGADA EN EL LABORATORIOp. 57
- 6.1.1 Curvas de secado y velocidad de secado:p. 57
- 6.1.2 Ajuste de las curvas de secado - modelación matemáticap. 58
- (Ea)p. 61
- SISTEMAS AUXILIARESp. 63
- 6.2.1 Características generales del proceso de secado sin sistema auxiliarp. 63
- 6.2.2 Evaluación y análisis de los sistemas de almacenamiento térmicop. 65
- 6.3.1 Validación de los resultadosp. 69
- 6.3.2 Simulación computacional del flujo de aire a través de las bandejasp. 70
- 6.3.3 Post procesamiento - análisis del contorno de temperaturap. 72
- 6.3.4 Análisis de contorno de velocidad y vectores de velocidad 2Dp. 76
- 6.3.5 Modificaciones al diseño de prototipo de secador solar propuestop. 77
- 7. CONCLUSIONESp. 82
- RECOMENDACIONESp. 84
- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASp. 85
- ANEXOSp. 97
- Tabla 1. Tipos de secadores según su clasificaciónp. 23
- Tabla 3. Propiedades de los distintos medios de almacenamiento de energíap. 49
- Tabla 4. Condiciones de frontera usadas en la simulaciónp. 53
- Tabla 5. Conductividad térmica de los materiales y fluido del modelop. 54
- Tabla 6. Condiciones de contorno y características de la chimeneap. 56
- (Ecuación 29) para los diferentes tratamientos de temperatura estudiadosp. 61
- Figura 1. Secador solar de gabinete indirectop. 25
- Figura 2. Curva de secado típicap. 33
- Figura 3. Etapas de procesamiento en software de CFDp. 40
- Figura 4. Horno THERMOLAB convección forzadap. 45
- en SpaceClaimp. 48
- Figura 6. Datalogger CEM DT-171p. 50
- presión a través de granos de cacaop. 52
- contra tiempo para cada tratamientop. 57
- diferentes temperaturas de trabajo (30, 40, 50 y 60 °C)p. 60
- versus tiempo de secado (s)p. 61
- de granos fermentadosp. 63
- ambiente vs tiempop. 64
- ambiente vs tiempop. 64
- tiempop. 67
- eléctrica parte media vs tiempop. 68
- eléctrica parte media vs tiempop. 68
- de medición en cada intensidad horariap. 70
- remplazados por geometría elipsoide (a); bandejas como medio poroso (b)p. 71
- calculados por la Ec. (30) (línea). Simulación CFD (puntos)p. 71
- 300 W/m^2 (a); 600 W/m^2 (b); 1000 W/m^2 (c)p. 72
- (c)p. 73
- radiación 300 W/m^2 (a); 600 W/m^2 (b); 1000 W/m^2 (c)p. 73
- (c)p. 73
- Condición de radiación 300 W/m2 (a); 600 W/m2 (b); 1000 W/m2 (c)p. 76
- radiación 300 W/m2 (a); 600 W/m2 (b); 1000 W/m2 (c)p. 77
- m) en diferentes ubicaciones sobre la cámara. Radiación de 1000 W/m2p. 78
- m (d)p. 79
- la inclinación del colector (b)p. 80
- modificacionesp. 81
- laboratoriop. 98
- diferentes condiciones de temperatura estudiadas (30, 40, 50 y 60 °C)p. 98
- secado ajustadas a los diferentes modelos matemáticos y sus parámetrosp. 99
- ANEXO D. Prototipo de secador solar para cacao (Theobroma L)p. 103
- secadop. 23
- geometrías de mallap. 107