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Dise˜no e implementaci´on de un secador h´ıbrido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de caf´e Oscar Javier De le´on Giraldo Proyecto de grado para optar al t´ıtulo de Ingeniero Electr´onico Universidad Tecnol´ogica de Pereira Facultad de Ingenier´ıas Ingenier´ıa Electr´onica Pereira, Colombia Julio 2018

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Dise˜no e implementaci´on de un secador h´ıbrido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de caf´e Por:

Oscar Javier De le´on Giraldo C´odigo: 1151957793 Proyecto de grado para optar al t´ıtulo de Ingeniero Electr´onico Director:

M.Sc. Jos´e Andr´es Chaves Osorio Profesor del Programa Ingenier´ıa Electr´onica Ingeniero Electricista Universidad Tecnol´ogica de Pereira Facultad de Ingenier´ıas Ingenier´ıa Electr´onica Pereira, Colombia Julio de 2018

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Nota de aceptaci´on:

Director:

Jurado:

Julio de 2018

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Agradecimientos Son muchas las personas a las que debo agradecer por su ayuda y colaboraci´on durante la ejecuci´on de este proyecto y de toda mi carrera en general.

Inicialmente le agradezco a mi familia quienes han sido los pilares de apoyo durante toda mi carrera brind´andome conﬁanza hacia mi mismo, porque a pesar de los m´ultiples problemas siempre han estado ah´ı gui´andome por el camino correcto, especialmente mi madre Cenelia Giraldo Arcila y mi t´ıa Leidy Diana Giraldo Arcila; a mi hermano Sergio Andres De le´on Giraldo, mis primos Sebastian Giraldo y Alejandro Le´on y Noelvis Martinez, quienes estuvieron atentos en todo momento para ayudarme en la construcci´on del sistema.

Al grupo de investigaci´on Rob´otica aplicada quienes en todo momento estuvieron prestos a resolver cualquier inquietud que me resultara; gracias por el espacio prestado y por los dispositivos prestados para ﬁniquitar el proyecto.

Por ´ultimo al M.Sc Jos´e Andr´es Chaves Osorio quien fue ´el encargado de dirigir este proyecto, sin el este proyecto no se fuera realizado.

Oscar Javier De le´on Giraldo

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´Indice general

1. DESCRIPCI´ON DEL PROYECTO

1.1. DEFINICI´ON DEL PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2. JUSTIFICACI´ON

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.1.

Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.

Objetivos espec´ıﬁcos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. MARCO REFERENCIAL

2.1. MARCO CONCEPTUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1.

Dimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.2.

Humedad relativa

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3.

Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.4.

Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.5.

Caf´e pergamino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. MARCO TE´ORICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.

Caracter´ısticas del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.1.

Clasiﬁcaci´on del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.2.

Usos del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.3.

Factores clim´aticos del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.4.

Enfermedades del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1.5.

Correcto secado para el beneﬁcio del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2.

Secado del caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2.1.

Tipos de deshidrataci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2.2.

Factores de las condiciones de secado

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2.3.

Procedimiento para estimar el correcto secado

. . . . . . . . . . . . . .

2.2.3.

M´etodos de secado de caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3.1.

Secado al sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3.2.

Secado mec´anico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3.3.

Secado solar

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. DESARROLLO DEL PROYECTO

3.1. DISE˜NO DE LA C´AMARA DE SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1.

Partes de la c´amara de secado

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1.1.

Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1.2.

Techo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1.3.

Sistema electr´onico de inyecci´on de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2. DISE˜NO DEL CIRCUITO ELECTR´ONICO

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1.

Descripci´on de la tarjeta de desarrollo Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2.

M´odulo de potencia para la resistencia t´ermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

p. 6

3.2.3.

M´odulo de potencia del motor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.4.

Pines de la tarjeta de desarrollo Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.5.

Descripci´on del Sensor DHT22

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.6.

Dise˜no del circuito electr´onico para el control de la c´amara de secado . . . . . . .

3.3. DISE˜NO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y LA INTERFAZ DE USUARIO . . . . .

3.3.1.

Obtenci´on de la funci´on de transferencia del sistema . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1.1.

Identiﬁcaci´on en tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.2.

Dise˜no del controlador PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3.

Dise˜no de Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3.1.

Estructura mec´anica de la caja de control . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3.2.

Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. PRUEBAS Y RESULTADOS

5. CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS

5.1. CONCLUSIONES

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2. FUTUROS TRABAJOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

p. 7

´Indice de ﬁguras 2.1. Diagrama de bloques de un controlador PID[1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. Tipos de sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3. Grano de caf´e pergamino[2].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4. Partes del caf´e[3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5. Tipos de caf´e[4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6. Secado al sol[5].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7. Curva de secado con el m´etodo de secado al sol[6]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.8. Secador mec´anico tipo Guardiola[7].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.9. Curva de secado con el m´etodo de secado mec´anico[8].

. . . . . . . . . . . . . .

2.10. Secador solar[9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Dise˜no de la base del secador solar parab´olico (autor).

. . . . . . . . . . . . . .

3.2. Piezas de la base del secador solar parab´olico (autor). . . . . . . . . . . . . . . .

3.3. Base completa del secador solar parab´olico (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . .

3.4. Dise˜no del techo del secador solar parab´olico (autor). . . . . . . . . . . . . . . .

3.5. Techo del secador solar parab´olico (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6. Actuadores de control sobre las variables de la c´amara de secado (autor). . .

3.7. Sistema electr´onico de inyecci´on de aire (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.8. C´amara de secado (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.9. Tarjeta de desarrollo con microcontrolador integrado (Arduino UNO)[10]. . .

3.10. Pines de la tarjeta de desarrollo (Arduino UNO)[11].

. . . . . . . . . . . . . . .

3.11. Detector de cruces por cero (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.12. Se˜nales del detector de cruces por cero (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.13. Se˜nales de los timers[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.14. M´odulo de potencia para la resistencia t´ermica (autor). . . . . . . . . . . . . . .

3.15. M´odulo de potencial del motor (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.16. Sensor de temperatura y humedad relativa (DHT22)[13]. . . . . . . . . . . . . .

3.17. Esquem´atico del circuito electr´onico (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.18. Board del circuito electr´onico (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.19. Respuesta de sistemas sobreamortiguados[14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.20. Respuesta de sistemas subamortiguados[14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.21. Respuesta del sistema ante una entrada escal´on unitario (autor). . . . . . . . .

3.22. Obtenci´on de los par´ametros del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.23. Respuesta obtenida con los par´ametros obtenidos (autor). . . . . . . . . . . . .

3.24. Respuesta ﬁnal del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.25. Esquema del control PID del sistema (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.26. Base de la estructura mec´anica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.27. Frente de la estructura mec´anica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.28. Lado izquierdo de la estructura mec´anica (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . .

3.29. Lado derecho de la estructura mec´anica (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

viii

p. 8

3.30. Parte trasera de la estructura mec´anica (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.31. Tapa de la estructura mec´anica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.32. Dise˜no de la estructura mec´anica (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.33. Pantalla LCD 16x2[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.34. Interfaz I2C[16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1. Estructura mec´anica (vista frontal superior) (autor). . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2. Estructura mec´anica (vista lateral izquierda) (autor). . . . . . . . . . . . . . . .

4.3. Estructura mec´anica (vista lateral derecha) (autor). . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4. Curva de secado prueba 1 (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5. Curva de secado prueba 2 (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6. Curva de secado prueba 3 (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7. Tiempo de secado vs masa del caf´e (autor).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8. Notiﬁcaci´on para revolver el caf´e y renovar el aire (autor). . . . . . . . . . . . .

4.9. Notiﬁcaci´on que indica el ﬁn del proceso (autor). . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.10. Variables sensadas mostradas a trav´es de la pantalla LCD (autor). . . . . . . .

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Cap´ıtulo 1

DESCRIPCI´ON DEL PROYECTO

1.1.

DEFINICI´ON DEL PROBLEMA

La producci´on de caf´e normalmente se realiza de manera artesanal, es decir, al aire libre limit´andose a las condiciones clim´aticas y al riesgo de estar en contacto con diversos insectos y/o animales dom´esticos, los cuales da˜nan el producto. Sin embargo, esta producci´on tambi´en se ve afectada por la aparici´on de diferentes enfermedades que afectan al grano de caf´e, un mal secado del producto afecta la calidad del grano y adem´as inﬂuye en la masa de este, por estas razones no es favorable para el caﬁcultor ya que ocasionan perdidas econ´omicas[17].

Para solucionar tal problema a traves de tiempo se han construido sistemas mec´anicos que aseguran el secado del caf´e en un tiempo menor, debido a que no depende de los cambios clim´aticos, el inconveniente de algunos de estos sistemas mec´anicos es que utilizan la quema de madera, carb´on o ACPM como combustible[5] para inyectar aire caliente al sistema que contiene el grano de caf´e, todos estos materiales liberan un subproducto el cual se le impregna al fruto que est´a siendo secado y por ende sus propiedades son modiﬁcadas, es decir, si se realiza el secado de caf´e mec´anicamente, este se va a secar m´as r´apido, pero la calidad del grano va a verse afectada.

Por fortuna a los antiguos m´etodos de secado (secado artesanal y secado mec´anico) se han tecniﬁcado a traves de aplicaciones electr´onicas que han permitido aumentar la velocidad del secado sin dejar de lado el rendimiento en la calidad del grano. Con esta aplicaci´on se controla con mayor precisi´on el tiempo adecuado para el secado del grano de caf´e, tambi´en que no existan riesgos de da˜no del producto lo cual no ocasionara perdidas econ´omicas, estas caracter´ısticas son muy importantes para la aplicaci´on electr´onica ya que se deben cubrir las reales necesidades de los caﬁcultores, permitiendo que el cultivo tradicional se seque en un breve tiempo incrementando la producci´on y la productividad en el cultivo y adem´as que se garantice la calidad del grano para su venta.

La aplicaci´on electr´onica que permitir´ıa mejorar estos problemas se pueden dividir en los siguientes bloques: sistema de la entrada de aire, sistema de control de ﬂujo de aire, sistema de obtenci´on de datos y sistema de interfaz.

El sistema de la entrada de aire consiste en un prototipo h´ıbrido el cual la forma de la estructura depender´a del sistema solar ya sea este de tipo domo, tipo t´unel, tipo parab´olico o con paneles solares y un sistema electr´onico que depender´a de una resistencia t´ermica y un ventilador, los cuales dependiendo de la temperatura entraran a trabajar de manera independiente o las dos a la vez lo cual resultar´ıa menos costoso.

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El sistema de control de ﬂujo de aire es el que mantiene constante la temperatura en el interior de la c´amara de secado sin posibilidades de que este vari´e, de esta manera se garantiza un mejor secado del producto y tener la posibilidad de secar mucho m´as grano de caf´e en menos tiempo. El sistema de obtenci´on de datos como su nombre lo dice es el que mantiene al producto en un constante monitoreo para asegurar que todo el grano tenga un secado uniforme y que a la vez tenga una constante comunicaci´on con los dem´as sistemas para asegurar un producto resultante de buena calidad. El sistema de interfaz consiste en un interfaz que le muestra al usuario la temperatura y la humedad que se encuentra dentro de la c´amara de secado, adem´as permite visualizar c´omo se comporta la humedad del grano con respecto al tiempo.

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1.2.

JUSTIFICACI´ON

El desarrollo de este trabajo atiende una gran problem´atica que tienen actualmente muchos caﬁcultores en el pa´ıs a causa de la baja productividad por hect´area, ya que el proceso de secado del caf´e no es eﬁciente; si se realiza un r´apido secado en el grano del caf´e, este no resulta ser de una buena calidad y si se realiza un secado cauteloso cuidando las propiedades inmersas en el grano, en consecuencia, el proceso resulta ser demasiado lento.

Seg´un diversos estudios el proceso de secado de caf´e es m´as complicado que el de cualquier otro grano, ya que este despu´es de ser lavado y escurrido contiene alrededor de 55 % de humedad y es en el proceso de secado que esta humedad debe ser reducida entre el 10 % y el 12 %, debido a que es la norma vigente de la comercializaci´on del caf´e pergamino seco, se debe tener mucho cuidado al secar el caf´e, puesto que durante este proceso puede ocurrir perdidas arom´aticas del grano, si se emplean altas temperaturas, adem´as puede causar deformaciones en el aspecto f´ısico, si no se tiene buenas condiciones de operaci´on. A nivel regional en octubre del 2008 Cenicaf´e construy´o un secador con forma parab´olica y al implementarlo en distintas regiones del pa´ıs se tomaron resultados donde se garantiz´o la alta calidad del grano, adem´as de hacerlo en un tiempo menor a 6 d´ıas, debido al poco espacio que hay dentro del sistema se aprovecha casi en su totalidad el aire que ah´ı se encuentra, demostrando as´ı ser un modo eﬁciente para realizar el proceso de secado de caf´e.

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1.3.

OBJETIVOS

1.3.1.

Objetivo general Dise˜nar e implementar un secador h´ıbrido (electrico solar) para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de caf´e.

1.3.2.

Objetivos espec´ıﬁcos Estudiar las diversas formas de secado de caf´e y extraer las ventajas y desventajas de cada una de ellas a ﬁn de identiﬁcar un m´etodo que facilite el proceso de secado de caf´e. Desarrollar un sistema de control para el monitoreo electr´onico de la temperatura y la humedad relativa de la c´amara de secado a trav´es de un sistema embebido.

Dise˜nar, construir y probar un sistema mec´anico a escala que permita veriﬁcar el proceso de secado de caf´e sin degradar la calidad del grano.

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Cap´ıtulo 2

MARCO REFERENCIAL

2.1.

MARCO CONCEPTUAL

Es de mucha importancia deﬁnir algunos conceptos que se consideran claves para el desarrollo de este proyecto, como son: dimmer, humedad relativa, controladores PID, sensor y caf´e pergamino.

2.1.1.

Dimmer Un dimmer es un dispositivo electr´onico que sirve para regular la intensidad de alguna carga, en la dom´otica este dispositivo es muy utilizado, ya que permite regular la intensidad de la luz de las bombillas y as´ı colaborar con una mejora en la eﬁciencia energ´etica de cualquier sistema, adem´as de ahorro energ´etico otra ventaja de este dispositivo es que da un mayor tiempo de vida a la carga, debido a que no se usan a su m´aximo potencial, haciendo que sus materiales resistan m´as y proporcionen una vida ´util superior.

Los dimmers m´as comunes son los manuales, es decir que para regular la intensidad de la carga se necesita de un usuario que acceda al dispositivo y que a travez de un poteniometro logre variar tal intensidad, pero tambi´en existen dimmers autom´aticos, que cuentan con una programaci´on especial para su correcto funcionamiento. En este caso, cuando se ha hecho la automatizaci´on, el dimmer podr´a operar de manera completamente aut´onoma, regulando la intensidad de la luz cuando las condiciones lo ameritan[18].

2.1.2.

Humedad relativa La humedad relativa o tambi´en llamada RH, es la cantidad de agua en el aire en forma de vapor comparado con la cantidad m´axima de agua que puede ser mantenida a una temperatura constante, esto quiere decir que la humedad relativa se mide en unidades de porcentaje. Por ejemplo, si la humedad en alg´un lugar es el 50 % a una temperatura de 32°C, esto quiere decir que el aire contiene la mitad del nivel de vapor de agua que se podr´ıa mantener a esa temperatura, se debe tener en cuenta que si la humedad relativa es mayor a 85 % se llega al punto de roc´ıo y en ese punto es cuando el vapor se transforma en gotas de agua[19].

2.1.3.

Controladores PID Un controlador PID (proporcional integrativo derivativo) es un mecanismo de control gen´erico sobre una realimentaci´on de bucle cerrado, ampliamente usado en la industria para el control de sistemas. El PID es un sistema al que le entra un error calculado a partir de la salida deseada menos la salida

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obtenida y su salida es utilizada como entrada en el sistema que queremos controlar. El controlador intenta minimizar el error ajustando la entrada del sistema. En la ﬁgura 2.1 se observa c´omo se organiza este controlador en un diagrama de bloques.

Figura 2.1: Diagrama de bloques de un controlador PID[1].

El controlador PID viene determinado por tres par´ametros: el proporcional, el integral y el derivativo. Cada uno de estos par´ametros inﬂuye en mayor medida sobre alguna caracter´ıstica de la salida (tiempo de establecimiento, sobreoscilaci´on, m´aximo sobreimpulso) pero tambi´en inﬂuye sobre las dem´as, esto quiere decir que, aunque el ajuste sea perfecto todas estas caracter´ısticas a la salida no ser´an iguales a cero, as´ı que el ﬁn es ajustarlo a un termino que cumpl´a con las especiﬁcaciones requeridas por el sitema[20].

2.1.4.

Sensor Un sensor es un dispositivo electr´onico que es capaz de detectar magnitudes f´ısicas y transformarlas en magnitudes el´ectricas. Hay diversos tipos de sensores como por ejemplo de: temperatura, humedad, posici´on lineal y angular, desplazamiento, velocidad, aceleraci´on, fuerza, presi´on, caudal, sonido etc. En la ﬁgura 2.2 se puede visualizar los diferentes tipos de sensores[21].

(a) Humedad[22].

(b) Temperatura[23].

(d) Distancia[25].

(e) Aceleraci´on[26].

(f) Presi´on[27].

(g) Fuerza[28].

(h) Caudal[29].

Figura 2.2: Tipos de sensores.

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Existen sensores anal´ogicos y digitales, los anal´ogicos son aquellos que al variar la magnitud f´ısica a la cual son sensibles, var´ıan la amplitud en tensi´on, mientras que los sensores digitales var´ıan el n´umero de bits, ´unicamente env´ıa un tren de pulsos con 5V de valor pico.

2.1.5.

Caf´e pergamino Se le conoce caf´e pergamino a aquel caf´e que ya paso por el proceso de secado de manera satisfactoria (grano cubierto por una c´ascara protectora conocida como cascarilla). En la ﬁgura 2.3 se puede observar el grano de caf´e[30].

Figura 2.3: Grano de caf´e pergamino[2].

2.2.

MARCO TE´ORICO

2.2.1.

Caracter´ısticas del caf´e Lo que caracteriza a un buen caf´e es el aroma, el cuerpo, el sabor y su acidez. Para que todas estas caracter´ısticas est´en en su punto ideal se debe conocer un poco acerca de su ´arbol y su entorno. El ´arbol de caf´e conocido como cafeto es relativamente peque˜no y son reconocidos por sus hojas simples y opuestas. Sus ﬂores son peque˜nas, cil´ındricas y blancas. El fruto es una drupa con dos nueces y con pulpa azucarada. El fruto que nace de este ´arbol son los granos de caf´e los cuales cuando llegan a su estado de madurez toman un color rojizo y por esta raz´on es llamado “cereza”, el grano de caf´e se divide en varias partes, en la ﬁgura 2.4 se puede observar cada una de estas partes.

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Figura 2.4: Partes del caf´e[3].

El ´arbol de caf´e produce su primera cosecha entre los tres y cuatro a˜nos despu´es de haber sido sembrado. La vida ´util de un cafeto est´a comprendida entre los 20 y 30 a˜nos, hay dos grandes especies de caf´e con diferentes variedades y entre ambas forman aproximadamente el 98 % de la producci´on mundial de caf´e, estas dos especies son: ar´abica y robusta.

Luego de recolectar los granos de caf´e del cafeto, estos tienen que experimentar un largo proceso, el cual se divide en 5 etapas, inicialmente en dicho proceso las “cerezas” se deben abrir para adquirir las semillas o granos (proceso de despulpado), luego de esto los granos deben permanecer en reposo durante un periodo de tiempo (proceso de fermentaci´on), a continuaci´on se tiene que lavar el grano con agua limpia para retirar los restos de mucilago que es el que contiene el az´ucar del fruto (proceso de lavado), despu´es de lavar el grano debe ser secado hasta llegar a una humedad entre el 10 y 12 %, si el grano toma estos valores de humedad se obtiene un grano limpio, al que se llama caf´e pergamino, caf´e oro o grano miel dependiendo del m´etodo que se haya utilizado (proceso de secado). El proceso ﬁnaliza con el tostado del caf´e y es cuando el grano verde es sometido a una fuente de calor (proceso de tostado). De esta forma el caf´e est´a listo para ser comercializado[31].

2.2.1.1.

Clasiﬁcaci´on del caf´e Existe gran variedad en cuanto a tipos de plantas de caf´e y cada especie ofrece un fruto distinto. Se calcula que existen aproximadamente sesenta especies distintas de caf´e en el mundo, pero son dos especies las m´as comunes en el mercado, ya que entre estas dos (ar´abica y robusta) suman el 98 % de la producci´on mundial. En la ﬁgura 2.5 se puede visualizar la diferencia entre estos granos. Ar´abica:

Este cafeto requiere de un clima subtropical fresco, pero al mismo tiempo necesita sol, sombra y una tierra adecuada, adem´as es una planta vulnerable al fr´ıo y a los insectos, por lo que requiere de mayor cuidado, lo que hace que los tipos de granos de caf´e ar´abica sean m´as costosos.El arbol puede llegar a una altura m´axima de 20 metros y puede llegar a vivir hasta 200 a˜nos, pero normalmente estos ´arboles miden 3 metros de altura y llegan a vivir m´as de 6 a˜nos. Entre las caracter´ısticas de su

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fruto se puede destacar, su aroma, el dulce, son ligeramente ´acidos y con grandes matices de sabor. El caf´e ar´abico est´a considerado de mayor calidad que el de robusta[32]. Robusta:

Este cafeto es menos susceptible a sufrir problemas a lo largo de su crecimiento, por ende, este caf´e es m´as barato. El caf´e robusta tiene aproximadamente el doble de cafe´ına que el ar´abica (2 % al 2.5 % comparado con 1.1 % al 1.5 %), por dicha raz´on este fruto es mucho m´as amargo. El robusta se cultiva tambi´en en alturas bastante elevadas (por encima de 1,200 m) y bajo sombreado. Estos atributos han contribuido a producir granos densos, con caracter´ısticas de infusi´on mejores que las esperadas normalmente de la bebida de robusta, lo que podr´ıa ayudar a preparar caf´es especiales y posiblemente caf´es ejemplares[33].

Figura 2.5: Tipos de caf´e[4].

2.2.1.2.

Usos del caf´e A pesar de que el caf´e es com´unmente conocido como bebida, este no es el ´unico uso que tiene este fruto, algunos de los principales usos que se pueden destacar son:

Bebida:

El grano de caf´e se utiliza normalmente como bebida. Para ello la semilla debe ser tostada y molida como se ha visto anteriormente en el item .2.1.

Aromatizante:

Se utiliza para dar sabor y aroma a muchos preparados alimentarios como por ejemplo helados, caramelos, pasteles entre otros.

Medicina:

Los modernos estudios de las propiedades terap´euticas de la planta de caf´e muestra sus virtudes diur´eticas, analg´esicas y antioxidante, por esta raz´on la industria farmac´eutica utiliza la cafe´ına en la composici´on de diversos medicamentos (principalmente analg´esicos) o como medicamento ´unico si lo que se pretende combatir es la somnolencia o la astenia[34]. Jardiner´ıa:

Los restos de caf´e pueden ser utilizados como abono para plantas, ya que contienen muchos minerales, nitr´ogeno, f´osforo y potasio, por ende, facilita el crecimiento de las plantas.

2.2.1.3.

Factores clim´aticos del caf´e La ubicaci´on del cafeto es el factor m´as importante. Pues es el que determina el mejor sistema de producci´on. El clima ideal para el cultivo del caf´e es tropical c´alido, los factores clim´aticos inﬂuyen directamente en el crecimiento y desarrollo. Dichos factores son: temperatura, lluvia, vientos y brillo solar.

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Temperatura:

La temperatura ´optima para el cultivo del caf´e est´a comprendida entre los 19 y 21°C, si la temperatura en el lugar de cultivo es menor a los 19°C su producci´on va a ser menor y si la temperatura es mayor a los 21°C da como resultado una vida ´util del cafeto m´as corta, la cosecha m´as temprana y concentrada adem´as de aumentar las plagas como la broca y el minador. Lluvia:

La cantidad de lluvia que se considera apropiada para el cultivo de caf´e est´a comprendida entre los 1.800 y los 2.800 mil´ımetros anuales bien distribuidos en los diferentes meses del a˜no, llegando as´ı a una cantidad ideal de 120 mil´ımetros al mes, si las lluvias son mayores aumenta las probabilidades de que el cultivo apropie enfermedades como el mal rosado y la gotera. Si se presentan sequ´ıas excesivas, las hojas del cafeto pueden caerse por falta de agua y se puede incrementar el ataque de plagas como la ara˜nita roja, el minador y la broca.

Vientos:

Los vientos son de vital importancia ya que este factor es el encargado de transportar el vapor de agua y nubes, haciendo variar algunos componentes del clima como las lluvias y el brillo solar, por ende, la mejor zona para cultivar un cafeto es aquella donde se presenten vientos de poca fuerza.

Brillo solar:

La principal fuente de energ´ıa para las plantas es la radiaci´on del sol, por este motivo obtener una buena cantidad de brillo del sol hacia el cafeto es primordial, por lo tanto, las zonas cafeteras se encuentran en lugares donde el brillo solar es de 1.600 a 2.000 horas de sol al a˜no (4 a 6 horas de sol diarios)[35].

2.2.1.4.

Enfermedades del caf´e El control de las principales enfermedades de los cafetales es otra fuente de constante trabajo y esfuerzo para los caﬁcultores. Las enfermedades son causadas por hongos, bacterias y virus. Las de mayor importancia econ´omica son: la roya, las llagas del cafeto, la mancha de hierro. La roya:

Es un hongo, que se distingue f´acilmente por la presencia de una capa amarilla en las hojas. Es una enfermedad c´ıclica que afecta principalmente el follaje, produce defoliaci´on y el da˜no conocido como "paloteo". Est´a ligado a los a˜nos de alta producci´on con epidemias severas. En cultivos susceptibles, la enfermedad ha causado p´erdidas hasta del 23 % de la producci´on. La relaci´on de caf´e cereza a caf´e pergamino seco puede llegar a valores de 8 a 1.

La mancha de hierro:

Este hongo es el causante de la enfermedad m´as generalizada en Colombia, afecta el cafeto durante todos sus estados de desarrollo, desde las hojas hasta los frutos. Se caracteriza porque son peque˜nas manchas circulares de color marr´on rojizo. Permanentemente, causa la ca´ıda de las hojas e incrementa la producci´on de caf´e pasilla, mediacara y guayaba que afectan la calidad. Los cafetales a plena exposici´on y mal fertilizados son los m´as susceptibles. Las llagas del cafeto:

Son hongos habitantes del suelo y nacen debido a las pr´acticas de renovaci´on por zoqueo, podas de ramas bajeras, deschuponadas, descopes o pisoteo en la base de los tallos, cuando no se protegen las heridas y principalmente en ´epoca h´umeda. Este hongo causa la muerte de la planta, en ataques severos puede reducir hasta el 40 % del cultivo. Aunque existen recomendaciones para evitar esta enfermedad el control es netamente preventivo, porque una vez que ataca este hongo no existe alg´un producto que funcione como cura, la ´unica manera es eliminar la planta de ra´ız y exponer el terreno a los rayos del sol m´ınimo durante 3 meses[36].

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2.2.1.5.

Correcto secado para el beneﬁcio del caf´e Los principales riesgos para el caf´e son las sustancias qu´ımicas que incluyen los residuos de plaguicidas, la ochratoxina A, las emisiones de humo, los combustibles y elementos qu´ımicos pesados, adem´as de algunos agentes biol´ogicos como los hongos de los g´eneros Aspergillus y Penicillium, la broca, el gorgojo y los roedores. Para evitar todos estos riesgos en el proceso de secado, se debe tener en cuenta las siguientes pr´acticas.

El secado del caf´e se debe realizar inmediatamente despu´es de hacer el lavado del grano. Los granos del caf´e deben ser movidos frecuentemente con rastrillos limpios aproximadamente 3 o 4 veces al d´ıa para garantizar un secado uniforme.

Al sistema de secado no se le debe mezclar granos de caf´e con diferentes contenidos de humedad. Para el secado al sol se debe usar capas delgadas de granos, de 2 a 4cm, 13 a 25 kg por m2 de ´area de secado, pero cuando las condiciones clim´aticas sean m´as secas se puede utilizar una capa m´as gruesa.

El grano debe ser protegido de alguna manera de la lluvia durante el proceso de secado. Se debe de evitar en todo momento que el pergamino del grano del caf´e se rompa o se deteriore durante el proceso de secado.

Colocar trampas o alg´un otro m´etodo para controlar el deterioro del caf´e por parte de las brocas, teniendo en cuanta que tales trampas no pueden afectar en el proceso de secado ni en la calidad del grano.

Antes del empaque el grano de caf´e debe contener una humedad entre el 10 y 12 %. La humedad del grano debe ser medido por personal capacitado utilizando dispositivos calibrados para medir la humedad del caf´e pergamino, se debe tener en cuenta que la mayor´ıa de estos dispositivos de medici´on est´an calibrados a temperatura ambiente, por lo que se debe dejar enfriar el grano antes de medir su humedad[37].

2.2.2.

Secado del caf´e El secado consiste en retirar el agua de la superﬁcie del fruto por el m´etodo de evaporaci´on y traspasarla al aire. Este proceso depende de la velocidad con la que circula el aire dentro del sistema, el grado de sequedad y de las caracter´ısticas del grano como su composici´on, humedad, tama˜no entre otros. El aire contiene y puede absorber vapor de agua, la cantidad de vapor de agua que el aire puede absorber depende, en gran medida, de su temperatura. A medida que el aire se caliente, su humedad relativa decae y por lo tanto puede absorber m´as humedad. Al calentarse el aire alrededor del fruto, este se deshidrata r´apidamente.

En el cuadro 2.1 donde HR es la humedad relativa del fruto, se puede apreciar que a mayor temperatura m´as capacidad del aire de absorber agua. Cuanto mayor sea el ﬂujo de aire, m´as r´apidamente se eliminar´a el agua del producto que se desea secar. En condiciones normales, el aire puede retirar hasta un 50 % del agua que se encuentra en el fruto[38, 17].

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Temperatura °C HR Gramos de agua que pueden ser retirados por kg de aire seco

0,6

7,0

14,5

Cuadro 2.1: Capacidad de agua Las caracter´ısticas del grano inﬂuyen en el proceso de secado, ya que este puede tener una capa exterior gruesa o ﬁna las cuales inciden para que su interior se seque por completo. Luego de que la humedad de la superﬁcie del grano se evapore, la velocidad de secado depender´a de c´omo la humedad interior se dirija hacia la superﬁcie. El tama˜no tambi´en es un factor de mucha importancia porque mientras m´as peque˜no sea el grano menos tiempo tomara para que la humedad interna sea evaporada. El principal objetivo es obtener un producto de buena calidad por lo que se deber´ıa prestar atenci´on a los diferentes niveles de secado, ya que a temperatura moderada y un alto grado de humedad dentro de la c´amara de secado podr´ıan darse origen a bacterias, hongos, levaduras. Por lo que se deber´ıa tomar en cuenta que el periodo de secado deber´ıa ser m´as corto para obtener mejores resultados. Tambi´en se puede dar el caso que al aumentar la temperatura dentro de la c´amara de secado podr´ıa originar perdida de color, sabor y quiz´as ruptura del grano.

El proceso de secado se divide en dos etapas fundamentales: la primera etapa se concentra en la parte externa del grano, donde ocurre una evaporaci´on pr´acticamente constante y se logra la mayor difusi´on de agua en menor tiempo, tanto as´ı que en esta etapa la humedad disminuye del 55 - 60 % a 20 - 25 %. Mientras que la segunda etapa se lleva a cabo en la parte interna del grano donde se reduce lentamente el contenido de humedad de 20 - 25 % a 10 - 12 %[5, 17, 38].

2.2.2.1.

Tipos de deshidrataci´on Existen distintas formas para lograr u correcto secado c´omo, por ejemplo: por arrastre, por evaporaci´on y por lioﬁlizaci´on, es de suma importancia tener en cuenta los siguientes factores a la hora de seleccionar un proceso de secado segun el tipo de producto, las propiedades deseadas, la susceptibilidad al calor, los pretratamientos requeridos, los costos del proceso.

Por arrastre:

Este tipo de deshidrataci´on consiste en retirar el agua poniendo el producto en contacto con el aire, con lo que tiende a retirar el agua del alimento, y se lo realiza a menudo hasta que se consiga el grado de humedad necesario en el grano. Cuando existe una temperatura mayor al secado por arrastre es realizada por un chorro de aire caliente.

Por vaporizaci´on:

Consiste en calentar el producto lo suﬁciente como para que el agua alcance el punto de ebullici´on y abandone el interior del grano en forma de vapor. Por lo general el agua hierve a 100 °C por lo tanto la eliminaci´on del agua necesita obtener niveles de temperatura muy altos, por lo que es un tipo de secado muy agresivo y a menudo es utilizado en la etapa de cocinado de alg´un alimento[39].

Por lioﬁlizaci´on:

Es un tipo de secado que retira el agua con ayuda del proceso de sublimaci´on sometiendo a condiciones de temperatura inferiores del punto triple. Es un m´etodo caro y lento ya que la misma requiere una atm´osfera de alto vaci´o, pero a la vez la ausencia de aire y el frio a la que se encuentra sometido el producto hace que se obtenga en buena calidad[40].

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2.2.2.2.

Factores de las condiciones de secado Se tiene que considerar el contenido inicial de humedad del producto y el contenido ﬁnal de humedad que se desea obtener. Para esto se veriﬁca el estado f´ısico como la forma, el tama˜no, la superﬁcie, la sensibilidad a la temperatura entre otros.

Tambi´en se debe analizar las caracter´ısticas del secador como su fuente de energ´ıa adicional y el volumen que se va a secar. Las caracter´ısticas meteorol´ogicas es otro factor para considerar como la humedad relativa, la radiaci´on solar, velocidad del viento, etc.

El contenido de humedad se expresa en base h´umeda. Para medir el contenido de humedad del grano se pesa una muestra del producto y se provoca la eliminaci´on del agua someti´endola a un calentamiento a una temperatura predeterminada, posteriormente se pesa nuevamente y se obtiene la masa de la materia seca para encontrar la humedad por diferencias de masas.

2.2.2.3.

Procedimiento para estimar el correcto secado A continuaci´on, se muestran los pasos que se llevaran a cabo para evaluar el correcto secado del grano.

Determinar la humedad del producto secando una muestra y midiendo la masa de la muestra cada 30 minutos hasta que este grano muestre ninguna reducci´on de masa, quedando as´ı ´unicamente la materia seca.

Calcular Hh = (Ph - Pms) / Ph * 100 % Calcular R, el cual va a ser una constante R = (100 % - Hh) / (100 % - Hs) = Ps / Ph Se escoge una muestra que se va a secar y se pesa (Ph).

Calcular la masa seca con respecto a la humedad seca Ps = R * Ph En el secado se procede a pesar la misma muestra y se contin´ua secando hasta que el Ps medido corresponda al Ps calculado[41].

NOTA:

Ps = masa seca Ph = masa h´umeda Pms = masa de la materia seca Hh = Humedad del producto h´umedo ( %) Hs = Humedad del producto seco ( %) R = rendimiento Hay otras m´ultiples formas de comprobar que el grano se encuentra correctamente secado, estas son: A la vista:

Este m´etodo consiste en tomar una muestra de caf´e, desprenderlo del pergamino, si el grano se observa con un color verde azulado, se corrobora que este se encuentra correctamente secado, si no el grano a´un se encuentra h´umedo.

Con el diente:

Este m´etodo consiste en tomar algunos granos distribuidos en distintos puntos del secador, todos estos granos son prensados con los dientes, si los dientes quedan marcados en el grano se concluye que se encuentra en el punto de secado correcto, pero si el diente se hunde es porque el grano a´un se encuentra h´umedo y si al grano no le queda ninguna marca es porque est´a reseco.

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Con el cuchillo:

Este m´etodo consiste en tomar varios granos distribuidos en diferentes puntos del secador, estos son ubicados con la cara plana hacia abajo y son cortados, si los dos pedazos saltan hacia los lados quiere decir que ya est´a en el punto de secado correcto, si los dos pedazos no brincan indica que se encuentra h´umedo, pero si el grano no s´e deja cortar es porque est´a reseco. Con martillo:

Este m´etodo consiste en golpear los granos ubicados en una zona plana boca abajo, si al grano le queda la marca del golpe es porque se encuentra en el punto indicado de secado, si el grano se aplasta es porque a´un se encuentra h´umedo y si se quiebra es porque est´a reseco. Dispositivo electr´onico:

Quiz´as este sea el m´etodo correcto y m´as ﬁable a la hora de determinar el punto de secado, ya que ´unicamente se debe ubicar el aparato electr´onico en el grano para que este nos indique el contenido de humedad[42].

2.2.3.

M´etodos de secado de caf´e El caf´e puede ser secado de muchas maneras, sin embargo, todas estas formas de secado son abarcadas en tan solo tres categor´ıas generales que son: secado al sol, secado mec´anico y secado solar. Existe otro m´etodo de secado que es el secado a la sombra, pero este se presenta ´unicamente en pa´ıses fr´ıos donde las condiciones de la zona son favorables presentando una baja humedad.

2.2.3.1.

Secado al sol El m´etodo de secado al sol busca que el grano se encuentre en todo momento expuesto a la radiaci´on solar y al aire hasta alcanzar la humedad establecida y es recomendada para ﬁncas con producciones menores de 500 arrobas de caf´e pergamino seco al a˜no. Este tipo de secado puede durar entre 7 a 8 d´ıas dependiendo de las condiciones clim´aticas de la regi´on situada, curiosamente este m´etodo es el m´as usado en pa´ıses en v´ıa de desarrollo, debido a ser el m´as econ´omico porque usa como energ´ıa cal´orica la procedente del sol, la cual es gratuita. Adem´as de depender netamente de las condiciones clim´aticas de la zona, los cultivos se encuentran al aire libre donde los insectos pueden comerse el fruto. La forma que puede adquirir un sistema de secado al sol es variada, ya que se compone fundamentalmente de la superﬁcie en la que se va a implementar. Por ejemplo, en patios de cemento que es la m´as com´un y usada (ﬁgura 2.6), carros o terraza m´ovil, elbas, La marquesina, Parab´olicos, t´unel, etc[17, 43].

Figura 2.6: Secado al sol[5].

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Enla ﬁgura 2.7 se observa la curva de secado del caf´e cuando se utiliza el m´etodo de secado al sol. Figura 2.7: Curva de secado con el m´etodo de secado al sol[6].

2.2.3.2.

Secado mec´anico Se caracteriza por utilizar corrientes de aire generadas con un ventilador, es decir, con ventilaci´on forzada. Para calentar el aire interno en el sistema se han dise˜nado equipos que emplean como fuente principal de calor la electricidad, el gas, el carb´on y otros insumos como la cascarilla de caf´e. Se debe tener en cuenta nunca sobrepasar los 60°C porque puede resecar el grano.

Anteriormente en Colombia el secador mec´anico m´as popular era el tipo Guardiola (ﬁgura 2.8), el cual posee un cilindro que gira constantemente con los granos de caf´e en su interior hasta dejarlos caer desde la parte m´as alta, utilizando palas met´alicas empotradas desde la parte interna del cilindro. La transferencia de calor hacia los granos de caf´e se produce cuando estos chocan con el aire caliente que entra al secador a trav´es de un tubo perforado coaxial al eje del cilindro. A pesar de que con este tipo de secador se obten´ıa un producto con una distribuci´on de humedad muy uniforme los costos de operaci´on eran altos por lo que poco a poco se fueron sustituyendo por secadores de capa est´atica donde solamente se invierte la direcci´on del ﬂujo de aire y los de capa m´ovil, donde esta se invierte al pasarla de una c´amara a el siguiente, localizada en un plano inferior.

Figura 2.8: Secador mec´anico tipo Guardiola[7].

Al igual que el secado al sol hay diferentes estructuras para secar el caf´e mec´anicamente y dependiendo del tipo de secador ser´an las condiciones de operaci´on m´as adecuadas para lograr un secado eﬁciente

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en el grano sin deteriorar mucho su calidad. Por ejemplo, secador est´atico, silo secador, secador de dos pisos, etc[5, 43].

Enla ﬁgura 2.9 se observa la curva de secado del caf´e cuando se utiliza el m´etodo de secado mec´anico. Figura 2.9: Curva de secado con el m´etodo de secado mec´anico[8].

2.2.3.3.

Secado solar Los secadores solares est´an formados b´asicamente por el colector solar y la c´amara de secado, en el colector solar es donde el aire se calienta debido a la radiaci´on solar y la c´amara de secado es donde se ubica el grano de caf´e a secar, el aire que circula desde el colector solar y la c´amara de secado se realiza por circulaci´on forzada (el aire que circula dentro de la c´amara de secado es controlado por ventiladores) o por circulaci´on natural (El aire ﬂuye naturalmente este es generado gracias a la diferencia de temperatura entre el colector solar y la entrada de aire provista). Los secadores solares se dividen en dos grupos; los directos (ﬁgura 2.10) y los indirectos. Los directos son aquellos que poseen la c´amara de secado y el colector solar unidas haciendo que la c´amara de secado tambi´en sea del colector solar recibiendo as´ı la radiaci´on proveniente del sol, en este tipo de secadores la radiaci´on solar es absorbida por el producto que se encuentra en la c´amara de secado, este m´etodo aprovecha la energ´ıa de una manera m´as eﬁciente para secar la humedad existente en el grano. Este tipo de sistema es m´as econ´omico debido a la combinaci´on entre el colector solar y la c´amara de secado[43].

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Figura 2.10: Secador solar[9].

Ventajas de los secadores solares directos sobre el secado al sol: El grano no est´a expuesto a la lluvia ni puede absorber humedad por la noche y, por lo tanto, se evita el re-humedecimiento que da lugar a manchas y deterioro del aspecto. Las variaciones de temperatura del aire en el interior son muy poco abruptas, igual que la variaci´on de humedad, as´ı el secado se realiza de forma m´as constante. Esto evita la formaci´on de moho causante de cambios de sabor y agrietamiento del grano. Se evita el contacto con polvo, tierra, excrementos de animales y basura, consiguiendo un grano m´as limpio y sin contaminantes.

Disminuci´on del 40 % en el tiempo de secado. Puede ser entre 5 y 7 d´ıas. Menor costo y tiempo de construcci´on. Alrededor de un 35 % menor. Ventajas de los secadores solares directos sobre el secado mec´anico: Se evita el uso de combustibles o energ´ıa, eliminando la contaminaci´on ambiental. No se transmite mal olor al grano por el uso de combustibles. Bajo coste de implementaci´on y mantenimiento.

Tecnolog´ıa sencilla.

Desventajas de los secadores solares directos:

El caf´e debe moverse en el menor tiempo posible para evitar cambios bruscos de temperatura, y para no obtener un secado no uniforme en el grano. La cubierta de pl´astico tiene una vida ´util entre 2 y 3 a˜nos.

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Cap´ıtulo 3

DESARROLLO DEL PROYECTO

3.1.

DISE ˜NO DE LA C´AMARA DE SECADO

El dise˜no de la c´amara de secado fue realizado bas´andose en el efecto invernadero, aunque este efecto es el desarrollado por la tierra para ser calentada, tambi´en se le llama a la conﬁnaci´on de aire caliente en el interior de un espacio cerrado por la acci´on de la radiaci´on solar que atraviesa un pl´astico o vidrio, pero que este es opaco a la radiaci´on terrestre. De esta manera, parte de la radiaci´on solar pasa a trav´es del material transparente o semitransparente, denominada radiaci´on de onda corta llega al suelo, parte es absorbida y la otra reﬂejada. La radiaci´on reﬂejada es la de onda larga o infrarroja y una parte no atraviesa el vidrio o pl´astico, siendo reﬂejada, qued´andose en el interior y calentando el aire interno.

De esta manera, el funcionamiento del secador solar a utilizar se puede explicar de la siguiente forma. El aire del interior del secador es calentado por el sol, aumentado su punto de saturaci´on y as´ı poder absorber la humedad de los granos, y le provoca movimiento de convecci´on al reducir su densidad. El aire con menor densidad, cargado de agua y m´as caliente, se dirigir´a hacia el techo y este se evacuar´a de la c´amara gracias a la intervenci´on del usuario (manualmente) e ingresar´a aire nuevo de menor temperatura, menor contenido de agua, por el sistema de control de ﬂujo de aire (circulaci´on forzada). Algunas de las ventajas de usar ventilaci´on forzada son: Crea en el interior un ambiente m´as seguro, acelera la eliminaci´on de contaminantes, suplementa las fuentes naturales de ventilaci´on, proporciona una ventilaci´on adecuada.

El secador parab´olico natural para caf´e desarrollado por Cenicaf´e ha sido adoptado y utilizado exitosamente por muchos caﬁcultores colombianos, para atender ﬂujos de caf´e producidos en ﬁncas, de menos de 2500 kg de caf´e pergamino seco por a˜no y en algunas ﬁncas grandes, cuando se encuentran en ´epocas bajas de producci´on[44, 6].

Con el ﬁn de incrementar el aprovechamiento de la energ´ıa solar, disminuir el costo y facilitar la construcci´on, se dise˜n´o un nuevo secador solar tipo parab´olico. Est´e al igual que el secador parab´olico natural, consta de: una estructura de madera, una cubierta pl´astica transparente y un piso de malla pl´astica.

El secador solar parab´olico construido dispone de una superﬁcie de 0.256 m2,adecuada para atender el secado del caf´e de una ﬁnca con producci´on anual de 20 kg. Teniendo en cuenta que el secador que se construy´o es un prototipo a escala 1:10, se puede concluir que el secador real dispondr´a de una superﬁcie de 25.6 m2y as´ı podr´a atender el secado del caf´e de una ﬁnca con producci´on anual de

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1900 kg; sin embargo, las dimensiones se pueden acomodar a otras producciones, si se calcula el d´ıa equivalente al 2 % de la producci´on anual, en una ﬁnca con la producci´on mencionada anteriormente se obtendr´ıan 75 kg de caf´e, que requieren de un espacio de 4.1 m2en el secador, considerando que el grano de caf´e no puede superar los 3 cm de altura. Como se observa, quedar´ıa espacio disponible para manejar de forma independiente el caf´e producido en otros d´ıas.

La base donde se ubica el grano de caf´e se construy´o a 8.5 cm del suelo, lo cual brinda la posibilidad de disponer de una zona libre por donde circula el aire inyectado por el sistema electr´onico, no ubicar el caf´e en el piso y dejar una zona libre debajo de este tambi´en tiene como ﬁn disminuir la posibilidad que se contamine el caf´e, ya sea por el operario o por el ingreso de animales.

3.1.1.

Partes de la c´amara de secado El secador solar parab´olico construido se puede dividir en tres partes esenciales que son: la base, el techo y el sistema electr´onico de inyecci´on de aire. Se debe tener en cuenta que todas estas partes deben quedar adheridas entre si perfectamente para no tener problemas con fugas de aire y as´ı aprovechar de mejor manera el aire que se encuentra dentro de la c´amara de secado.

3.1.1.1.

Base Esta parte del secador tiene como ﬁn sostener el grano de caf´e a una altura respectiva, adem´as de generar un espacio libre entre el piso y el grano de caf´e para facilitar la circulaci´on del aire y disminuir la contaminaci´on. La base est´a construida en madera (cedro Caquet´a), la cual tiene en su superﬁcie un marco con un angeo para depositar el grano de caf´e, en la ﬁgura 3.1 se observa el dise˜no de esta parte del secador en Sketch Up pro 2018, mientras que en la ﬁgura 3.3 se visualiza ya construido completamente y en la ﬁgura 3.2 sus respectivas piezas que lo conforman. Figura 3.1: Dise˜no de la base del secador solar parab´olico (autor).

todas las distancias dadas en la ﬁgura est´an dadas en unidades de cent´ımetros [cm]. Los agujeros que est´an ubicados a un costado de la estructura son los que van a permitir la conexi´on entre la base y el sistema electr´onico de inyecci´on de aire. En estos agujeros se van a introducir tubos PVC con

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un di´ametro de media pulgada, los cuales van a dirigir el aire desde el sistema electr´onico, hasta la estructura de secado, en la ﬁgura 3.2 se pueden observar estos tubos.

(a) Pieza 1 (base).

(b) Pieza 2 (angeo).

Figura 3.2: Piezas de la base del secador solar parab´olico (autor).

Figura 3.3: Base completa del secador solar parab´olico (autor).

3.1.1.2.

Techo El secador construido es tipo parab´olico y este nombre se le asign´o debido a que el techo tiene esta forma. El techo se recubre con un pl´astico semitransparente para aprovechar mejor la radiaci´on del sol, para soportar el pl´astico se utilizan 8 palos de madera con 1 cm de ancho y 48 cm de longitud dobladas en forma de arco, separadas cada una a 7 cm, las cuales se ﬁjan con puntillas a la base del techo. Para ﬁjar el techo con la base del secador se utilizaron bisagras y as´ı el usuario podr´a acceder al grano de caf´e ´unicamente levantando el techo, haciendo de este proceso lo m´as sencillo posible, en la

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ﬁgura 3.4 se puede observar el dise˜no de esta parte del secador en Sketch Up pro 2018, mientras que en la ﬁgura 3.5 se puede visualizar ya construido completamente.

Figura 3.4: Dise˜no del techo del secador solar parab´olico (autor).

todas las distancias en la ﬁgura est´an dadas en unidades de cent´ımetros [cm]. Figura 3.5: Techo del secador solar parab´olico (autor).

3.1.1.3.

Sistema electr´onico de inyecci´on de aire El sistema electr´onico que contiene la estructura del secador consta de 4 tubos PVC con un di´ametro de 0.5 pulgadas que van conectados a la base del secador, estos tubos est´an uniﬁcados entre si con codos y conectores del mismo material, su ﬁnalidad es dirigir el aire expulsado por un ventilador hacia el interior de la estructura del secador.

Este sistema electr´onico consta de dos dispositivos el´ectricos esenciales para su funcionamiento, estos son: un motor, una resistencia t´ermica. El motor tiene adherido a s´ı mismo unas aspas de 4 palas que funcionan para hacer ﬂuir el aire hacia una direcci´on determinada, el motor varia su velocidad y por ende tambi´en el ﬂujo de aire dentro del secador, dependiendo de las necesidades que se requieran dentro de la c´amara de secado. La resistencia t´ermica est´a hecha de nicromo y tambi´en varia su intensidad dependiendo de las necesidades que se requieran dentro de la c´amara de secado, esto quiere decir que el aire que ingresa dentro de la c´amara de secado puede variar su temperatura.

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Se puede observar en la ﬁgura 3.6 los dos dispositivos que forman este sistema electr´onico, y en la ﬁgura 3.7 se puede observar el montaje del sistema electr´onico completado, en esta ﬁgura se puede observar que el sistema electr´onico fue dise˜nado y construido con base en una pistola de aire caliente. (a) Motor con aspas o ventilador.

(b) Resistencia t´ermica.

Figura 3.6: Actuadores de control sobre las variables de la c´amara de secado (autor). Figura 3.7: Sistema electr´onico de inyecci´on de aire (autor).

Ya teniendo claro cu´ales son las partes que forman la c´amara de secado y cu´al es la funci´on que cumple cada uno, se procede a ensamblar cada una de estas partes para que todo resulte ser una sola pieza, en la ﬁgura 3.8 se puede observar la c´amara de secado terminada en su totalidad. Se debe tener en cuenta que todas estas partes deben quedar adheridas entre si perfectamente para no tener problema

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con fugas de aire y as´ı aprovechar de mejor manera el aire que se encuentra dentro de la c´amara de secado.

(a) Cerrado.

(b) Abierto.

Figura 3.8: C´amara de secado (autor).

3.2.

DISE ˜NO DEL CIRCUITO ELECTR´ONICO

3.2.1.

Descripci´on de la tarjeta de desarrollo Arduino Arduino es una tarjeta de desarrollo que contiene un microcontrolador y todos los dem´as dispositivos que son necesarios para que el microcontrolador funcione. ¿Qu´e es un microcontrolador? un microcontontrolador es un dispositivo que dentro de s´ı tiene una CPU, una memoria no vol´atil (los datos no ser´an borrados despu´es de que sea desconectado de la fuente de energ´ıa ROM), una memoria vol´atil (los datos ser´an borrados despu´es de que sea desconectado de la fuente de energ´ıa RAM), b´asicamente un microcontrolador es una computadora a una escala menor, este puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, avisos lum´ınicos, secuenciado de luces, cerrojos electr´onicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. En la ﬁgura 3.9 se puede observar los componentes que contiene la tarjeta de desarrollo a utilizar (Arduino UNO).

Figura 3.9: Tarjeta de desarrollo con microcontrolador integrado (Arduino UNO)[10].

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A continuaci´on, se muestran las caracter´ısticas que contiene esta tarjeta de desarrollo (cuadro 3.1). Voltaje 5V Alimentaci´on

7 - 12V

Pines digitales I/O

14 (6 PWM)

Pines anal´ogicos de entrada

Corriente Dc de entrada y salida 40mA Memoria ﬂash 32KB

SRAM

2KB

EEPROM

1KB Reloj 16MHz Cuadro 3.1: Caracter´ısticas de la tarjeta de desarrollo a utilizar.

En la ﬁgura 3.10 se da a conocer la funci´on que llevan a cabo cada uno de los pines que contiene esta tarjeta de desarrollo.

Figura 3.10: Pines de la tarjeta de desarrollo (Arduino UNO)[11].

Esta tarjeta de desarrollo cuenta con una serie de pines especiales; estos pines especiales son utilizados para interfaces UART; es decir; cuenta con un pin RX y un pin TX con los cuales se pueden implementar comunicaciones seriales, lo cual es muy ´util para conectar con otras tarjetas como por ejemplo otro Arduino, Raspberry pi, Beagelbone y otros. Tambi´en cuenta con pines como SCL, SDA, MOSI, MISO, SCK y SS, lo cual signiﬁca que se pueden implementar protocolos de comunicaci´on I2C y SPI[45, 46]. El pin escogido para controlar la velocidad del motor en este proyecto es el n´umero 6, se utiliz´o este pin debido a que este permite a la salida una se˜nal PWM y dependiendo del ancho de pulso de la se˜nal, el motor variara su velocidad. Los pines escogidos para controlar la intensidad de la resistencia

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t´ermica son el 7 y el 8; Cabe recalcar que tanto la se˜nal proveniente del pin 6 como la de los pines 7 y 8 son se˜nales de control para el m´odulo de potencia del motor y de la resistencia t´ermica.

3.2.2.

M´odulo de potencia para la resistencia t´ermica Para lograr variar la intensidad de la resistencia t´ermica a partir de una se˜nal de control procedente del Arduino, se realiz´o un m´odulo que varia el ´angulo de disparo de los tiristores y as´ı modiﬁcar el valor rms que le llega a la carga (resistencia t´ermica). Antes de controlar el ´angulo de disparo de los tiristores, el microcontrolador debe reconocer en que momento el valor de la se˜nal de alimentaci´on (se˜nal de la red) es igual a cero, para esto se cre´o un circuito electr´onico llamado detector de cruces por cero, en la ﬁgura 3.11 se puede observar la implementaci´on de este circuito. Figura 3.11: Detector de cruces por cero (autor).

Este circuito consta de un transformador que tiene como ﬁn reducir la tensi´on de entrada de 120Vrms a 6Vp, de un puente de diodos que tiene como ﬁn transformar esa se˜nal AC a una se˜nal DC y por ´ultimo un optoacoplador que aparte de detectar los cruces por cero de la se˜nal, tambi´en a´ısla el´ectricamente la parte de potencia con la parte de control, que es donde se conectara el Arduino. En la ﬁgura anterior se puede observar que contiene 2 puntos (A y B) en cada uno de estos puntos se visualiz´o la se˜nal y se obtuvo lo siguiente (ﬁgura 3.12).

Figura 3.12: Se˜nales del detector de cruces por cero (autor).

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Como se puede observar en la ﬁgura 3.12 cada que la se˜nal de alimentaci´on (se˜nal de la red el´ectrica) cruce por cero, entonces este circuito lo que va a hacer es entregar un pulso con 5v pico, este pulso lo recibir´a el Arduino y as´ı el microcontrolador sabr´a en que momento la se˜nal de alimentaci´on vale cero. La se˜nal proveniente del punto B en la ﬁgura 3.11, se dirigir´a hacia el pin 2 de la tarjeta de desarrollo, se utiliza este pin porque este predispone de un interruptor de los timers. El programa para controlar el ´angulo de disparo de los tiristores se basa en usar el timer 1 y el timer 2. El timer 1 comenzara a contar justo en el momento que detecte la interrupci´on en el pin 2 hasta un cierto l´ımite que el control PID le indicara, dependiendo del valor que tome el timer 1, el ´angulo en que se van a disparar los tiristores variara entre 0 y 180º. El timer 2 tiene como ﬁn garantizar que el tiristor se logre excitar, ya que se debe tener en cuenta que estos dispositivos para que se activen, se les tiene que excitar con un pulso en el gate, pero este pulso debe tener un tiempo m´ınimo. En la ﬁgura 13 se muestran las se˜nales que indican la tensi´on de salida, la se˜nal que ingresa a los gates y los timers. Figura 3.13: Se˜nales de los timers[12] Ya teniendo claro el funcionamiento del control del ´angulo de disparo se procede a realizar el c´odigo en la plataforma de Arduino como se muestra continuaci´on.

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Algoritmo 3.1 C´odigo para el control del ´angulo de disparo. #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #deﬁne DETECT 2 // pin que detecta el cruce por cero #deﬁne GATE 7 // pin que alimenta el gate del tiristor 1 #deﬁne GATE1 8 // pin que alimenta el gate del tiristor 2 #deﬁne PULSE 4 // contador void setup() { pinMode(DETECT, INPUT); // pin de entrada digitalWrite(DETECT, HIGH); pinMode(GATE, OUTPUT); // pin de salida pinMode(GATE1,OUTPUT); // pin de salida

OCR1A = 100;

// inicializa el comparador TIMSK1 = 0x03; // habilita el comparador A y las interrupciones TCCR1A = 0x00; //establecer los registros del temporizador TCCR1B = 0x00; // deshabilitar timer attachInterrupt(0,zeroCrossingInterrupt, RISING); //conﬁgurar la interrupci´on del cruce por cero } void zeroCrossingInterrupt() { TCCR1B=0x04; // inicia el temporizador

TCNT1 = 0;

// resetea el timer o contador } ISR(TIMER1 COMPA vect) // comparador { digitalWrite(GATE,HIGH); digitalWrite(GATE1,HIGH);

TCNT1 = 65536-PULSE;

// ancho de pulso de disparo } ISR(TIMER1 OVF vect) // desbordamiento del timer 1 { digitalWrite(GATE,LOW); digitalWrite(GATE1,LOW); TCCR1B = 0x00; //deshabilitar el temporizador } void loop() {

OCR1A = X;

//donde X es 510 m´aximo y 50 minimo } Como se puede observar en el algoritmo 3.1, se utilizaron dos se˜nales de control para el m´odulo de potencia de la resistencia t´ermica, esto es debido a que se utilizaron dos tiristores conectados en antiparalelo para garantizar el paso de la se˜nal en su semiciclo positivo y negativo, la raz´on por la

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que no se utiliz´o un triac y as´ı ahorrar espacio y dinero, fue porque se corr´ıa el riego que se disparara en los cuatro cuadrantes; es decir, en todo momento se encontrar´ıa activo el dispositivo, por eso para realizar controladores de altas potencias esta sumamente recomendado utilizar dos SCR’s conectados en antiparalelo en vez de un triac y as´ı tener un control total sobre el m´odulo de potencia. Debido al uso de dos tiristores, fue necesario crear dos se˜nales de control provenientes del Arduino (pin 8 y 9), aunque sean la misma se˜nal estas deben de estar separas, debido a que, si se utiliza una sola se˜nal de control para alimentar los gates de cada SCR, se har´ıa un corto circuito entre estos dos dispositivos. En la ﬁgura 3.14 se puede observar el m´odulo de potencia de la resistencia t´ermica. Figura 3.14: M´odulo de potencia para la resistencia t´ermica (autor).

3.2.3.

M´odulo de potencia del motor Para lograr variar la velocidad del motor a partir de una se˜nal de control procedente del Arduino, se realiz´o un m´odulo que depender´a del ancho de pulso de la se˜nal de entrada para variar la tensi´on que le va a llegar al motor. El circuito implementado se puede observar en la ﬁgura 3.15 y el c´odigo a implementar en el algoritmo 3.2.

Figura 3.15: M´odulo de potencial del motor (autor).

El transformador tiene como ﬁn reducir la tensi´on de entrada de 120Vrms a 18Vp. El puente de diodos transforma la se˜nal procedente del transformador de AC a DC. El condensador tiene como ﬁn eliminar el rizado de la se˜nal y as´ı entregarle al motor una tensi´on netamente continua y el MOSFET es aquel dispositivo clave, ya que ´el es el que controla la tensi´on que le ingresa al motor dependiendo de la se˜nal que reciba de excitaci´on en el gate, proveniente del Arduino.

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Algoritmo 3.2 C´odigo para el control de velocidad del motor.

int Motor = 6; // pin de conexi´on del motor void setup() { pinMode (Motor, OUTPUT); // pin de salida } void loop() { analogWrite(Motor, X); // Donde X es la velocidad que se le va a ingresar al motor 0 m´ınimo y 255 m´aximo }

3.2.4.

Pines de la tarjeta de desarrollo Arduino Antes de dise˜nar el circuito impreso del sistema, se debe tener claro cu´antos pines de esta tarjeta de desarrollo se necesitan usar, en este caso seg´un los requerimientos establecidos anteriormente el n´umero de pines a utilizar de esta tarjeta son 11, sin tener en cuenta los pines de alimentaci´on (5V, GND) y teniendo en cuenta que el Arduino UNO permite el uso de 19 pines, ya sea de entrada o de salida, podemos concluir que esta tarjeta de desarrollo es m´as que suﬁciente para cubrir las necesidades de este proyecto.

Luego de tener claro el numero de puertos a utilizar, el paso a seguir es determinar cu´ales de estos son entradas y cuales son salidas. Los puertos que se utilizan como entrada son 6 en total, cuatro de ellos (P9, P10, P11 y P12) son donde se van a conectar los sensores que medir´an la temperatura y la humedad relativa dentro de la c´amara de secado, mientras que los dos restantes son pines esenciales para el control del ´angulo de disparo de los SCR’s, como anteriormente se dijo uno se dedicara a recibir los pulsos provenientes del detector de cruces por cero (P2) y el otro funcionara como contador del ancho de pulso de disparo (P4). Los puertos que se utilizan como salida en total son 5, dos de ellos (A5 y A4) se usan para darle funcionamiento a la pantalla LCD 16x2 y que el usuario logre visualizar los datos obtenidos dentro de la c´amara de secado, otros dos sirven para alimentar los gates de los SCR’s y as´ı controlar la intensidad de la resistencia t´ermica (P7 y P8), mientras que el ultimo pin se us´o como PWM para controlar la velocidad del motor (P6).

3.2.5.

Descripci´on del Sensor DHT22 El sensor que se usa para la realizaci´on de este proyecto es el DHT22 (ﬁgura 3.16), este sensor se usa debido a que es capaz de medir temperatura y humedad relativa al mismo tiempo, adem´as es un sensor digital as´ı que no es necesario hacer un acondicionamiento para la se˜nal, es decir, se ahorra espacio en el uso dispositivos electronicos, ´unicamente necesita de una resistencia conectada entre el pin de datos y el de alimentaci´on (resistencia pull-up), teniendo en cuenta que este sensor se puede conseguir en el mercado con su “acondicionamiento” realizado en un circuito impreso en la parte posterior del mismo, el ahorro de espacio es mayor.

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Figura 3.16: Sensor de temperatura y humedad relativa (DHT22)[13].

Como se puede observar en la ﬁgura 3.16, este sensor tiene tres pines de izquierda a derecha, el primero sirve para la alimentaci´on de 5V, el segundo es el que env´ıa los datos tomados del entorno (temperatura y humedad relativa) y el ultimo se conecta a la referencia (ground). Una de las desventajas de este sensor es que no puede estar en contacto con el agua, por esta raz´on los sensores no pudieron ser ubicados al mismo nivel del grano de caf´e as´ı que lo que medir´an no va a ser la humedad del producto como tal, sino la humedad y la temperatura dentro del espacio de la c´amara de secado. EL DHT22 (sin llegar a ser en absoluto un sensor de alta precisi´on) tiene unas caracter´ısticas aceptables para que sea posible emplearlo en proyectos de monitorizaci´on o registro, que requieran una precisi´on media, a continuaci´on, se muestran las caracter´ısticas de este sensor.

Medici´on de temperatura entre -40 a 125, con una precisi´on de 0.5ºC.

Medici´on de humedad entre 0 a 100 %, con precisi´on del 2-5 %.

Frecuencia de muestreo de 2 muestras por segundo (2 Hz).

Teniendo en cuenta que este sensor es digital podemos deducir que este env´ıa los datos tomados en forma de bits, as´ı que ¿c´omo extraer los datos medidos por el sensor a partir de ese tren de pulsos?, si leemos la hoja del fabricante (datasheet) podemos darnos cuenta de que en cada env´ıo de medici´on el sensor env´ıa un total de 40bits, en 4ms. Estos 40 bits corresponden con 2 Bytes para la medici´on de humedad, 2 Bytes para la medici´on de temperatura, m´as un Byte ﬁnal para la comprobaci´on de errores (8bit integral RH data + 8bit decimal RH data + 8bit integral T data + 8bit decimal T data + 8bit check sum)[47]. Por fortuna la plataforma de Arduino nos permite usar una gran variedad de librer´ıas, en el algoritmo 3.3 se puede observar el c´odigo utilizado para poder obtener los datos de este sensor.

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Algoritmo 3.3 C´odigo para leer los datos del sensor (DHT22). #incluye <Adafruit Sensor.h> #include <DHT.h> DHT dht(9, DHT22); // pin de conexi´on del sensor void setup() { dht.begin(); //inicializa el pin del sensor } void loop() { ﬂoat h = dht.readHumidity(); // lee la humead medida por el sensor ﬂoat t = dht.readTemperature(); // lee la temperatura medida por la temperatura }

3.2.6.

Dise˜no del circuito electr´onico para el control de la c´amara de secado Despu´es de corroborar el correcto funcionamiento de todo el sistema se realiz´o el dise˜no de la placa, para esto se utiliz´o la plataforma de Eagle, en las ﬁguras 3.17 y 3.18 se observa el esquem´atico y la board para generar un circuito impreso del sistema. Figura 3.17: Esquem´atico del circuito electr´onico (autor).

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Figura 3.18: Board del circuito electr´onico (autor).

Para la conexi´on del transformador, resistencia t´ermica y motor, se utilizaron conectores tipo borneras, ya que permiten una rapida y facil conexi´on de estos elementos al circuito impreso.

3.3.

DISE ˜NO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y LA IN-

TERFAZ DE USUARIO

3.3.1.

Obtenci´on de la funci´on de transferencia del sistema Para realizar un correcto secado del grano debe existir un ﬂujo continuo de aire caliente, esto es un factor que determina el tiempo de secado que va a tener el producto, por el contrario, si el ﬂujo de aire es reducido o no es continuo estar´ıa cocinando el grano de caf´e, pero no sec´andolo. Para tener un secado m´as uniforme dentro de la c´amara de secado, el sistema de un interfaz el cual le notiﬁcara al usuario en que momento debe dirigirse al sistema, levantar el techo y revolver el caf´e para distribuir mejor el aire caliente sobre cada uno de los granos del producto.

Para poder generar un correcto ﬂujo de aire caliente, sin realizar perdidas de aire y sin resecar el grano de caf´e es necesario realizar alguna acci´on de control, pero antes del dise˜no de cualquier tipo de controlador, es necesario conocer la funci´on de transferencia del sistema a tratar. Cuando se trata de sistemas conocidos y que son utilizados para la ense˜nanza del control autom´atico, las funciones de transferencias de dichos sistemas est´an siempre disponibles. Por el contrario, cuando se desea realizar el dise˜no de un controlador para un sistema y este es un sistema f´ısico real, por lo regular se desconoce su funci´on de transferencia, siendo un requisito indispensable conocerla para poder dise˜nar el control apropiado para este.

La forma m´as usual de identiﬁcar a un sistema es aplicar en su entrada una excitaci´on conocida, obtener la respuesta y despu´es tratar de ajustar un modelo conocido a las particularidades del sistema sujeto a

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la identiﬁcaci´on. Las se˜nales m´as frecuentemente usadas como excitaciones al hacer una identiﬁcaci´on son: se˜nal escal´on y se˜nal sinusoidal de amplitud constante y frecuencia variable La identiﬁcaci´on hecha por medio de una funci´on escal´on se le conoce como identiﬁcaci´on en tiempo, y a la identiﬁcaci´on hecha por medio de se˜nales sinusoidales se le conoce como identiﬁcaci´on en frecuencia; aunque en ambos casos el objetivo sea determinar la funci´on de transferencia que mejor describa el comportamiento del sistema. Cabe destacar que en la actualidad existen algoritmos computacionales que pueden obtener la funci´on de transferencia de un sistema real con bastante precisi´on.

3.3.1.1.

Identiﬁcaci´on en tiempo Para realizar una identiﬁcaci´on en tiempo, es necesario excitar el sistema por medio de una funci´on escal´on (de preferencia unitaria) y conocer la respuesta a esta excitaci´on. La mejor manera de conocer la respuesta es contar con una gr´aﬁca adecuadamente escalada, en la que sea posible observar el curso temporal de la respuesta desde el momento de aplicar la excitaci´on hasta el establecimiento del r´egimen permanente en el sistema.

Una de las caracter´ısticas atractivas del m´etodo de identiﬁcaci´on en tiempo es el hecho de que una se˜nal escal´on siempre es f´acil de generar.

B´asicamente todos los procesos existentes en la naturaleza pueden clasiﬁcarse en dos tipos, sistemas de primer orden y sistemas de segundo orden (muchos de los sistemas de orden superior pueden ser aproximados a sistemas de segundo orden). Dentro de los cuales existen: respuestas sobreamortiguadas, respuestas subamortiguadas y sistemas inestables.

Respuestas sobreamortiguadas:

La respuesta t´ıpica de estos sistemas no presenta sobreoscilaci´on, esto quiere decir que nunca llegan al valor exacto de la consigna y, por lo tanto, son sistemas relativamente lentos. Esto se puede apreciar en la ﬁgura 3.19, se debe tener en cuenta que el sistema var´ıa seg´un la cantidad de polos existentes, conforme aumenta el n´umero de polos la respuesta es m´as lenta, teniendo al inicio un arranque con mayor suavidad.

Figura 3.19: Respuesta de sistemas sobreamortiguados[14].

La funci´on de transferencia de un sistema sobreamortiguado es el siguiente:

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G(s) = K (T1S + 1)(T2S + 1) Donde K es la ganancia del sistema, T1 y T2 son las constantes de tiempo. Un m´etodo simple para obtener las constantes de un tipo de sistema como este es primero aplicar el m´etodo de Strejc[48] y luego hacer ajustes en las constantes de tiempo a prueba y error, hasta obtener la respuesta lo m´as precisa posible.

Respuestas subamortiguadas:

Este tipo de respuestas presentan sobreoscilaci´on y un periodo transitorio con oscilaci´on, y se deben a sistemas con polos complejos conjugados. La mayor´ıa de los sistemas industriales se comportan como un sistema de este tipo, que posteriormente el control pretende limitar par´ametros como la sobreoscilaci´on, tiempo de establecimiento y error en r´egimen permanente. La respuesta t´ıpica de una funci´on de transferencia de polos complejos se puede apreciar en la ﬁgura

3.20.

Figura 3.20: Respuesta de sistemas subamortiguados[14].

La funci´on de transferencia de un sistema est´andar de segundo orden est´a dada por la siguiente expresi´on:

G(s) = Kw2 n S2 + 2ζwnS + w2n Donde K es la ganancia del sistema, wnla frecuencia natural del sistema y ζ el factor de amortiguamiento.

Los par´ametros que describen a este tipo de respuestas son los siguientes: mP = e ζ √ 1−ζ2 π mpes el m´aximo sobreimpulso de la se˜nal, de donde.

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ζ = |ln (mp)| q π2 + [ln (mp)]2 El tiempo que ocurre este m´aximo tiempo de establecimiento esta dado por. ts = π wn√ 1−ζ2 tses el tiempo donde se estabiliza la se˜nal, de donde.

wn = π ts√ 1−ζ2 Sistemas inestables:

Un tipo de sistema inestable es un sistema de 1º orden con integrador, cuya funci´on de transferencia es el siguiente.

G(s) = K S(T1S + 1) Un criterio simple para poder obtener el par´ametro que caracteriza al sistema, es poner en el origen un polo, y proponer una constante de tiempo T1, hasta obtener la respuesta real. La funci´on de transferencia G(s), tener en cuenta que el lazo debe de estar cerrado[49]. Ya teniendo claro c´omo obtener la funci´on de transferencia dependiendo de la respuesta del sistema ante la excitaci´on del escal´on. Entonces se procede a realizar los respectivos pasos. Al excitar el sistema con el escal´on unitario se obtuvo la siguiente gr´aﬁca (ﬁgura 3.21). Figura 3.21: Respuesta del sistema ante una entrada escal´on unitario (autor). Para realizar esta aproximaci´on se tomar´a el m´etodo de Strejc comentado anteriormente, por lo que

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se traza la pendiente sobre la respuesta real del sistema para obtener los par´ametros Tu y Ta, En la ﬁgura 3.22 se puede apreciar.

Figura 3.22: Obtenci´on de los par´ametros del sistema (autor).

Si se calcula la constante de Strejc se observa que:

Tu Ta = τ = 0,215

2,2

= 0,097 tomando como base los valores de Tu, Ta, y una ganancia con un valor de 68. A continuac´on se puede observar una funci´on de transferencia con la cual se puede iniciar el proceso de identiﬁcaci´on tomando en cuenta lo anterior:

G(s) = K (T1S + 1)(T2S + 1) =

(0,215S + 1)(2,2S + 1) La respuesta obtenida con estos par´ametros, comparada con la del sistema real se puede observar en la ﬁgura 3.23.

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Figura 3.23: Respuesta obtenida con los par´ametros obtenidos (autor). Se puede observar que, aunque la respuesta es bastante aproximada al real, a´un diﬁere un poco de esta, por lo que se siguen haciendo aproximaciones para Tu y Ta, hasta obtener la respuesta del sistema lo m´as parecida al real. Despu´es de varias aproximaciones los valores m´as aproximados a la respuesta real se muestran a continuaci´on.

G(s) =

(0,3S + 1)(S + 1) La respuesta obtenida con estos par´ametros, comparada con la del sistema real se puede observar en la ﬁgura 3.24.

Figura 3.24: Respuesta ﬁnal del sistema (autor).

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3.3.2.

Dise˜no del controlador PID Ya teniendo la funci´on de transferencia del sistema, se procede a dise˜nar el controlador, en este caso se implement´o un controlador PID, debido a que el error no es constante por lo que es necesario implementar una acci´on integral, mientras que la acci´on derivativa es necesaria usarla para realizar m´as r´apidamente la acci´on de control.

Se debe tener en cuenta que la funci´on de transferencia del controlador PID es. Gc(s) = Kp

1 + 1

tiS + tdS Donde Kp es la acci´on proporcional, ti es la acci´on integral y td es la acci´on derivativa. Ya sabiendo la funci´on de transferencia del sistema se puede representar el uso del controlador PID a partir del siguiente esquema (ﬁgura 3.25).

Figura 3.25: Esquema del control PID del sistema (autor).

Para poder hallar los par´ametros del controlador PID, se utilizaron las reglas de Ziegler-Nichols. Aunque las reglas de Ziegler-Nichols tiene dos m´etodos distintos para obtener los par´ametros del controlador, en este caso solo es posible utilizar uno de estos dos m´etodos, debido a que el otro se utiliza ´unicamente para sistemas que tienen oscilaciones sostenidas y si se puede observar la ﬁgura 3.24 se puede notar que la respuesta de este sistema no contiene ning´un tipo de oscilaci´on. Es necesario hallar los valores de Tu y Ta, dos par´ametros que se obtuvieron anteriormente luego de trazar la tangente sobre la respuesta al escal´on del sistema real y as´ı lograr obtener una funci´on de transferencia aproximada al real. Ya teniendo estos valores se procede a utilizar la siguiente tabla seg´un el tipo de controlador que se vaya a usar.

Tipo de controlador Kp ti td P Tu Ta ∞

PI 0,9 Tu Ta Ta

0,3

PID

1,2 Tu Ta 2Ta 0,5Ta Cuadro 3.2: Valores de sinterizaci´on, Ziegler-Nichols.

Teniendo en cuenta que el controlador a usar en un PID y realizando las ecuaciones dado en el cuadro

3.2. Se tiene que:

Kp = 1,20,215

2,2

= 0,117

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ti = 2 ∗2,2 = 4,4 td = 0,5 ∗2,2 = 1,1 Gc (s) = 0,117(1 +

4,4s + 1,1s) Suponiendo que X(s) es la entrada al sistema, mientras que Y(s) es la salida. Se obtiene la funci´on de transferencia de lazo cerrado con base en la ﬁgura 3.25.

Y (s) X (s) = 68(2,49s2 + 2,26s + 0,5148) 0,3s3 + 1,3s2 + s

3.3.3.

Dise˜no de Interfaz de usuario

3.3.3.1.

Estructura mec´anica de la caja de control Para que el usuario se sienta m´as c´omodo a la hora de interactuar con el sistema, se dise˜n´o y se construy´o una estructura mec´anica hecha en acr´ılico de color negro para este ﬁn. Es importante recalcar que para este dise˜no se necesit´o la ayuda de la plataforma Sketch up pro 2018, el cual permite el dise˜no de objetos en tercera dimensi´on.

Este dise˜no consta de 6 piezas, la base, el frente, el lado izquierdo, el lado derecho, la parte trasera y la tapa. Todas estas piezas van unidas entre s´ı, menos la tapa, la cual se podr´a retirar f´acilmente de las otras piezas por el usuario, con el ﬁn de poder observar su funcionamiento, conexiones o para hacerle alg´un tipo de mantenimiento de manera sencilla. Cada una de estas piezas tiene su propia ﬁnalidad. La base:

En esta pieza es donde se van a sujetar con ayuda de tornillos y tuercas algunos dispositivos como; el Arduino, el circuito impreso y el transformador, Aunque esta pieza tenga como nombre base, esta no toca el suelo, sino que lleva adherido as´ı mismo 4 columnas cil´ındricas transparentes, las cuales tienen como ﬁnalidad soportar toda la estructura. En la ﬁgura 3.26 se puede observar el dise˜no de esta pieza.

Figura 3.26: Base de la estructura mec´anica (autor).

El frente:

En esta pieza se van a ﬁjar los dispositivos con los que el usuario podr´a interactuar, estos dispositivos son: la pantalla LCD 16x2 y un interruptor, que debe ser presionado para iniciar el proceso de secado. En la ﬁgura 3.27 se puede observar el dise˜no de esta pieza.

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Figura 3.27: Frente de la estructura mec´anica (autor).

El lado izquierdo:

En esta pieza es por donde se van a enviar las ordenes necesarias del microcontrolador hacia los actuadores de la c´amara de secado y as´ı controlar la temperatura y ﬂujo de aire dentro del sistema, es decir, aqu´ı se conectar´a el motor y la resistencia t´ermica, adem´as aqu´ı se conecta un cable de poder, el cual ir´a conectado a la red convencional. En la ﬁgura 3.28 se puede observar el dise˜no de esta pieza.

Figura 3.28: Lado izquierdo de la estructura mec´anica (autor). El lado derecho:

El ´unico ﬁn de esta pieza es comunicar el microcontrolador con la computadora del usuario. En la ﬁgura 3.29 se observa el dise˜no de esta pieza.

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Figura 3.29: Lado derecho de la estructura mec´anica (autor).

Parte trasera:

Al igual que la pieza del lado izquierdo, esta pieza tiene como ﬁn comunicar la c´amara de secado con el sistema de control ubicado dentro de la estructura, pero la diferencia es que por aqu´ı es por donde la c´amara de secado le env´ıa informaci´on de las condiciones (temperatura y humedad relativa) que hay dentro de la c´amara, es decir aqu´ı se conecta los sensores. En la ﬁgura 3.30 se puede observar el dise˜no de esta pieza.

Figura 3.30: Parte trasera de la estructura mec´anica (autor).

Tapa:

Como se dijo anteriormente esta es la ´unica pieza que no se adhiere a todas las otras piezas, por las razones explicadas previamente, pero su ﬁnalidad real al igual que todas las otras piezas mencionadas con anterioridad, es la de proteger el circuito electr´onico de lluvias, insectos, entre otros. En la ﬁgura 3.31 se puede observar el dise˜no de esta pieza.

Figura 3.31: Tapa de la estructura mec´anica (autor).

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Luego de dise˜nar cada una de las piezas por separado, estas son adheridas entre s´ı, para formar una sola pieza. El dise˜no completo de la esructura mec´anica se muestra a continuaci´on (ﬁgura 3.32). Figura 3.32: Dise˜no de la estructura mec´anica (autor).

3.3.3.2.

Interfaz de usuario Este bloque tiene como ﬁnalidad ofrecerle en todo momento al usuario lo que est´a sucediendo dentro del sistema con respecto a las variables medidas (temperatura y humedad relativa), para ello este bloque consta de una pantalla LCD 16x2 (ﬁgura 3.33) el cual muestra en todo momento la temperatura y la humedad relativa censada dentro de la c´amara de secado, cabe recalcar que debido a la cantidad de pines que contiene la pantalla (16), es imposible hacer una conexi´on directa con la tarjeta de desarrollo, por ende se lleg´o a la necesidad de usar un interfaz I2C (ﬁgura 3.34), este es un dispositivo electr´onico que se comunica con el microcontrolador por medio del protocolo de comunicaci´on I2C y solo necesita de 4 pines (SDA, SCL, GND, 5V), es decir, reduce el n´umero de pines a usar de 16 a 4. Figura 3.33: Pantalla LCD 16x2[15].

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Figura 3.34: Interfaz I2C[16].

Tambi´en el usuario podr´a observar el comportamiento de la temperatura y la humedad relativa con respecto al tiempo, con ayuda de una computadora que graﬁcar´a en cada instante la magnitud de estas variables. Adem´as, le notiﬁcara al usuario en qu´e momento se debe acercar al sistema y revolver el grano de caf´e para lograr un secado mucho m´as uniforme, esta notiﬁcaci´on se har´a por medio de la pantalla LCD quien mostrara el siguiente mensaje “REVOLVER POR FAVOR”.

El usuario tambi´en puede observar a trav´es de la pantalla LCD la notiﬁcaci´on que le indica en que momento puede retirar el grano de caf´e ya que este termino su proceso de secado satisfactoriamente. La notiﬁcaci´on que se muestra es el siguiente: “SECADO FINALIZADO”. Adem´as, el usuario puede observar el tiempo que tardo este proceso gracias a las gr´aﬁcas anteriormente mencionadas.

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Cap´ıtulo 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

La construcci´on del dise˜no se basa en piezas de acr´ılico de 3mm, para su obtenci´on fue utilizada una cortadora l´aser que permitir´a realizar cortes y trazos precisos, garantizando precisi´on en la uni´on de todas las piezas.

Despu´es de tener impresas las piezas, se unen dando origen a otra gran pieza que se complementar´a con la tapa para terminar materializando el ensamble total. Para cada una de las piezas se utiliza cloruro de metileno, el cual es un l´ıquido vol´atil no inﬂamable, transparente, pesado e incoloro, con un olor suave parecido al ´eter, sin punto de imanaci´on, con arreglo a los procedimientos de ensayo normalizados, completamente miscible con una amplia gama de disolventes, elevado poder de disoluci´on, excelentes propiedades de reciclado y altamente estable. En las ﬁguras 4.1, 4.2 y 4.3 se pueden observar los resultados obtenidos.

Figura 4.1: Estructura mec´anica (vista frontal superior) (autor).

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Figura 4.2: Estructura mec´anica (vista lateral izquierda) (autor).

Figura 4.3: Estructura mec´anica (vista lateral derecha) (autor).

Para establecer el tiempo de secado para 1kg de grano de caf´e s´e estableci´o que la humedad inicial del grano variar´a entre 50 % - 53 % y con una humedad esperada entre 12 % - 10 %, sometiendo el grano a una temperatura m´axima de 47ºC, procedemos a sacar la masa aproximada para poder establecer el n´umero de horas de secado. Este procedimiento se realiz´o tres veces con diferente masa inicial para estimar el correcto secado utilizando este m´etodo.

Prueba 1.

Hh = 51 % Hs = 11 % Tmax = 47ºC Ph = 1Kg

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R = 100 −51

100 −11 = 0, 55

Ps = 0, 55 ∗2Lb = 1, 10Lb Despu´es de 1 hora y 2 minutos en funcionamiento obtuvo una masa de 1,28Lb y con la humedad dentro del rango deseado, como se puede observar en la gr´aﬁca 4.4. Figura 4.4: Curva de secado prueba 1 (autor).

Diferencia = 1, 28 −1, 10 = 0, 18Lb El n´umero de horas estimadas serian:

ts = 0, 18 0, 20 = 0, 90h = 54min Par´ametros Calculado Real masa (Libras)

1,10

1,28

Tiempo (horas)

0,90

1,03

Cuadro 4.1: Resultados obtenidos prueba 1.

Prueba 2.

Hh = 50 % Hs = 10 % Tmax = 47ºC Ph = 2Kg R = 100 −50

100 −10 = 0, 55

Ps = 0, 55 ∗4Lb = 2, 20Lb Despu´es de 1 horas y 20 minuto en funcionamiento obtuvo una masa de 2,51Lb, y con la humedad dentro del rango deseado, como se puede observar en la gr´aﬁca 4.5.

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Figura 4.5: Curva de secado prueba 2 (autor). Diferencia = 2, 51 −2, 20 = 0, 31Lb El n´umero de horas estimadas serian: ts = 0, 31 0, 20 = 1, 55h Par´ametros Calculado Real masa (Libras)

2,20

2,51

Tiempo (horas)

1,55

1,33

Cuadro 4.2: Resultados obtenidos prueba 2. Prueba 3.

Hh = 53 % Hs = 12 % Tmax = 47ºC Ph = 1, 50Kg R = 100 −53

100 −12 = 0, 53

Ps = 0, 53 ∗3Lb = 1, 60Lb Despu´es de 1 hora y 12 minutos en funcionamiento obtuvo una masa de 1,82Lb y con la humedad dentro del rango deseado, como se puede observar en la gr´aﬁca 4.6.

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Figura 4.6: Curva de secado prueba 3 (autor).

Diferencia = 1, 82 −1, 60 = 0, 22Lb El n´umero de horas estimadas serian:

ts = 0, 22 0, 20 = 1, 10h Par´ametros Calculado Real masa (Libras)

1,60

1,82

Tiempo (horas)

1,10

1,20

Cuadro 4.3: Resultados obtenidos prueba 3.

En cada una de las pruebas anteriormente mostradas se realiz´o una parada de 15 minutos para la revisi´on del grano, revolver el grano y renovar el aire dentro de la c´amara de secado. Con los datos obtenidos anteriormente se realiz´o una gr´aﬁca, la cual indica el tiempo de secado del grano de caf´e dependiendo de la masa, es decir, el tiempo que tarda el caf´e en secarse depende directamente de la cantidad de caf´e que se necesite secar. Se debe tener en cuenta que el sistema construido a escala permite secar m´aximo 20kg de caf´e.

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MASA (Kilogramos) TIEMPO DE SECADO (Horas)

1,033

1,330

1,670

2,100

2,450

2,797

3,158

3,518

3,870

4,240

4,600

4,960

5,320

5,680

6,041

6.400

6,760

7,120

7,480

7,843

Cuadro 4.4: Datos calculados a partir de las pruebas realizadas.

A partir de los datos dados del cuadro 4.4 se logr´o estimar el tiempo de secado dependiendo de la cantidad de caf´e que se le ingrese a la c´amara de secado. En la ﬁgura 4.7 se puede observar la curva de tiempo de secado.

Figura 4.7: Tiempo de secado vs masa del caf´e (autor).

Aunque los sensores ubicados dentro de la c´amara de secado no miden directamente la humedad del grano de caf´e, sino que mide la humedad del espacio, es posible estimar la humedad del grano indirectamente con la ayuda de un m´etodo denominado Gravimet. Este m´etodo se basa en la relaci´on

p. 58

de la masa del caf´e en los estados de lavado y seco, teniendo esto claro, si se conoce la cantidad de caf´e en kilogramos que se necesita secar en la c´amara de secado, ´unicamente es ingresar ese valor en kilogramos a trav´es del computador y el sistema electr´onico inmediatamente estimar´a el tiempo que tardar´a en secar esa cantidad de caf´e.

El usuario debe de estar atento a las notiﬁcaciones del sistema ya que es necesario revolver el caf´e cada determinado tiempo, este tiempo ser´a determinado por el sistema, ya que ´el reconocer´a en que momento es necesario renovar el aire, esto se da cuando la humedad dentro de la c´amara de secado supera el 70 %. Cuando la humedad supera este valor dentro del sistema de secado aparecer´a la siguiente notiﬁcaci´on en la pantalla LCD (ﬁgura 4.8).

Figura 4.8: Notiﬁcaci´on para revolver el caf´e y renovar el aire (autor). Sin embargo, esta no es la ´unica notiﬁcaci´on que se muestra en la pantalla LCD. Tambi´en se le notiﬁca al usuario que el proceso de secado ﬁnalizo exitosamente (ﬁgura 4.9).

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Figura 4.9: Notiﬁcaci´on que indica el ﬁn del proceso (autor).

Al ingresar la masa del producto a secar, inmediatamente el sistema comienza a sensar las variables de temperatura y humedad relativa y los muestra en la pantalla LCD como se observa en a ﬁgura 4.10. Figura 4.10: Variables sensadas mostradas a trav´es de la pantalla LCD (autor).

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Cap´ıtulo 5

CONCLUSIONES Y FUTUROS

TRABAJOS

5.1.

CONCLUSIONES

Se construy´o un sistema seguro en el cual la intervenci´on de la mano humana es m´ınima a comparaci´on de los sistemas de secado tradicionales que requieren de personas pendientes del clima y de dar vuelta al grano durante todo el d´ıa, aparte de lograr un producto terminado de buena calidad, presentaci´on y de un ahorro signiﬁcativo de espacio y tiempo, que al ﬁnal favorece al caﬁcultor.

El m´etodo utilizado para estimar el correcto secado y determinar el tiempo de secado dependiendo de la cantidad de masa que se le ingresa a la c´amara de secado, dio un valor pr´oximo al valor te´orico calculado con lo cual se puede decir que se cumpli´o con la meta de tener un sistema aut´onomo y eﬁc´az.

Si se desea reducir el tiempo de secado lo recomendable no ser´ıa aumentar la temperatura dentro del sistema de secado ya que esto puede tostar el grano, sino incrementar el ﬂujo de aire dentro de la c´amara, para esto se puede aumentar la potencia del motor con las aspas. Los sistemas de control implementados en el sistema funcionan correctamente y el n´umero de operarios se reduce a una sola persona, la cual no tiene que estar todo el tiempo pendiente del proceso, sino tambi´en hacer otro tipo de actividades, ya que en caso de fallas el sistema de control apagar´a autom´aticamente el proceso de secado.

Para incrementar el valor de utilidad del sistema se puede secar aparte de caf´e tambi´en otros granos como el ma´ız, man´ı, cacao entre otros, aunque se tendr´ıa que modiﬁcar el programa para determinar la cantidad exacta de secado para estos granos.

Se podr´ıa mejorar la extracci´on del aire para la c´amara de secado aumentando la potencia del ventilador, de esta manera se tendr´a mayor circulaci´on de aire dentro del sistema y una mayor rapidez de secado del grano.

p. 61

5.2.

FUTUROS TRABAJOS

Durante el desarrollo de este proyecto, se han encontrado algunos aspectos que pueden ser considerados a mejorar en un futuro, ellos son:

Disminuir costos del prototipo mediante el remplazo de componentes o materiales por otros m´as econ´omicos, por ejemplo, el tipo de madera del sistema de secado, cambiarlo por bamb´u o guaduas las cuales son m´as accesibles para el caﬁcultor.

Incluir sensores de humedad resistentes al agua para que puedan estar en todo momento en contacto con el grano de caf´e y as´ı no tener que estimar un m´etodo indirecto para medir la humedad del caf´e. Esto aumentar´ıa la eﬁciencia y precisi´on del sistema. Desarrollar un interfaz gr´aﬁco a trav´es de un aplicativo m´ovil, para que todas las notiﬁcaciones dadas por la pantalla LCD las pueda observar el caﬁcultor a larga distancia con ayuda de su tel´efono celular.

Implementar paneles solares para aprovechar a´un m´as la energ´ıa del sol, no ´unicamente la energ´ıa cal´orica, sino tambi´en la energ´ıa el´ectrica que puede brindar y as´ı el consumo disminuir´a, el cual es otro ´ıtem importante para este tipo de proyectos.

Automatizar en su totalidad el proceso de secado, es decir que el usuario no tenga necesidad de acercarse al sistema para revolver el caf´e y renovar el aire, por ende, es necesario dise˜nar un sistema electromec´anico que permita expulsar el aire h´umedo del sistema y revolver o sacudir el grano de caf´e ´unicamente cuando el programa lo requiera.

Construir la c´amara de secado a una escala real.

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Cita: de León Giraldo, Oscar Javier (2018), Diseño e implementación de un secador híbrido para el control y monitoreo del proceso de secado del grano de café, Universidad Tecnológica de Pereira, p. N. https://hdl.handle.net/11059/9290