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1. Con los par metros establecidos se determina la cantidad de energ a que puede suministrar el arreglo de tubos instalados en el horno Con este valor se calcula el n mero real de cogollos que puede ser secado Luego se repasan los c lculos nuevamente para afinar los resultados obtenidos 3 Discusi n y Resultados El proceso de cocci n de una cocci n dura 30 minutos puesto que en un mismo horno se realizan dos y hasta tres cocciones el proceso total dura aproximadamente un poco m s de una hora Siendo la alternativa seleccionada dependiente de la operaci n del horno se fija en una 1 hora el tiempo de secado de la fibra El objetivo principal en el dise o de este proyecto es retirar parte de la humedad inicial de la fibra con el fin asegurar que sta alcance el contenido de humedad requerido en el primer d a de secado Este valor puede variar desde 72 hasta 10 en el periodo de 1 hora ya establecido Para el dise o de este prototipo se seleccion 50 decisi n que fue tomada en conjunto con t cnicos del PDPSE y los artesanos del CAPPT 3 1 C mara de Secado Como resultado de un proceso iterativo la capacidad del sistema es de 250 cogollos de paja toquilla Por tanto la cantidad de agua que debe ser evaporada es 21 49 kg h La mejor manera de determinar la temperatura de secado es a trav s de la experimentaci n dado que para el caso de estudio no se dispone de esta informaci n es necesario estimar este val2. puesto que se reducir an las p rdidas de producto 5 Agradecimientos Se agradece la colaboraci n de los t cnicos del Programa de Desarrollo de la Pen nsula de Santa Elena a los miembros del Centro Artesanal de Procesadores de Paja Toquilla y al Ing Gonzalo Zabala por el apoyo a la realizaci n de este proyecto en todas sus fases 6 Referencias 1 Antoninho V Marques D Sinicio R Oliveira D 1991 Secado de Granos a Altas Temperaturas Chile Consultado 23 mar 2008 Disponible en http www fao org docrep x5059S x5059S00 HT M 2 Maupoey P Andr s A Barat J Albors A Introducci n al Secado de Alimentos por Aire Caliente Espa a Universidad Polit cnica de Valencia 99 p 3 Mu oz F Plantas Medicinales y Arom ticas Estudio Cultivo y Procesado MundiPrensa Libros 345 p 4 PDPSE ESPOL Programa de Desarrollo de la Pen nsula de Santa Elena 2007 Datos de la fibra paja toquilla durante el proceso de secado Fuente Original Guayaquil 5 Steenbock W 2006 Carqueja Un remedio vegetal desde las planicies brasile as Bolivia Center for International Forestry Research 6 Tademex 2007 Manual T cnico Parte 4 Efectos T rmicos M xico Consultado 19 oct 08 Disponible en http www tademex com mx manualtec html
3. de paja toquilla de la costa ecuatoriana En este poblado se encuentra el Centro Artesanal de Procesadores de Paja Toquilla El Programa de Desarrollo de la Pen nsula de Santa Elena PDPSE de la ESPOL ha prestado su colaboraci n a trav s del desarrollo de proyectos econ micamente viables y ambientalmente sustentables con el fin de solventar la deficiencia tecnol gica existente en el procesamiento de la fibra Figura 1 Cocci n de los cogollos En pruebas realizadas t cnicos del PDPSE determinaron que durante el proceso de secado de la fibra sta deber perder alrededor del 72 de la humedad inicial en 24 horas como tiempo m ximo para evitar la presencia de hongos en el tallo 4 El prop sito principal de este trabajo es proporcionar al CAPPT un prototipo de sistema que acelere el proceso a fin de asegurar que la fibra alcance el nivel de humedad requerido durante el primer d a de secado Adicionalmente se mejorar an los tiempos de producci n puesto que en la actualidad el secado representa el cuello de botella en el procesamiento de la paja toquilla Figura 2 Secado de los cogollos m todo actual Para esto se consider conveniente recuperar parte de la energ a al interior de uno de los hornos artesanales con el fin de calentar agua que luego circular por un intercambiador de calor para aumentar la temperatura del aire que ingresa al secador Para la implementaci n de la alternativa se
4. del Sistema Para la obtenci n de un programa computarizado de dise o se utiliz el software Matlab Al momento de ingresar los datos stos son validados Luego de presionar el bot n calcular en la parte inferior de la pantalla aparecer n los resultados del sistema Los datos que se requieren son las dimensiones del horno la temperatura de los gases de combusti n el di metro del tubo del intercambiador de calor agua gases de combusti n la configuraci n interna del radiador condiciones del aire ambiente temperatura de secado masa inicial de la paja toquilla humedad que se quiere evaporar de la misma y su temperatura Los resultados del programa son el n mero de cogollos dimensiones aproximadas de la c mara de secado temperaturas del agua a la entrada y salida del radiador dimensiones de ste n mero de tubos y longitud de los mismos para el intercambiador de calor caudal del aire y la presi n est tica el caudal de agua y las p rdidas de cabezal emp Entrad Hum entr Intercambiado al lor Diametro del Tubo jpe gt in Radiador 1 a Radiador 1 la lt min Figura 6 Programa para el Dise o T rmico del Sistema Entrada de Datos 3 4 An lisis de Costos El costo total de la construcci n e implementaci n del sistema de calentamiento de aire y c mara de secado para paja toquilla es igual a la suma del costo de los materiales manufactura y equipos tal cual se presenta en l
5. Operaci n El incremento en la temperatura produce un incremento en la velocidad de secado Un factor importante que limita la temperatura en el proceso de secado es la calidad que se desea obtener puesto que a elevadas temperaturas la fibra pierde flexibilidad lo cual es muy importante en la elaboraci n de las artesan as Para el intercambio energ tico entre el agua caliente y el aire antes de que ste ingrese al secador se seleccion un intercambiador de calor del tipo compacto debido a su econom a de construcci n y operaci n Derivado de los c lculos de dise o del intercambiador de calor agua gases de combusti n en base a los par metros establecidos se determin que existe un equilibrio entre la cantidad de calor que se desea transferir al sistema de secado y la cantidad de energ a que puede transferir el intercambiador de calor Del an lisis de esfuerzos t rmicos del intercambiador de calor agua gases de combusti n se resalta que no se producir n mayores da os debido al diferencial de temperatura que experimentar el banco de tubos durante su operaci n Con la aplicaci n del programa de computadora propuesto es posible realizar el dise o t rmico de un sistema similar o adaptarlo de acuerdo a nuevos requerimientos de operaci n El costo operativo del sistema de secado de paja toquilla el cual es asumido por los miembros de la asociaci n de artesanos se solventar a con las mejoras en la producci n
6. Revista Tecnol gica ESPOL Vol xx N xx pp pp Diciembre 2008 Dise o de Sistema de Calentamiento de Aire y C mara de Secado para Paja Toquilla por Recuperaci n de Energ a desde Hornos Artesanales de Cocci n de la Paja A Boero J Duque Facultad de Ingenier a Mec nica y Ciencias de Producci n FIMCP Escuela Superior Polit cnica del Litoral ESPOL Campus Gustavo Galindo Km 30 5 V a Perimetral Apartado 09 01 5863 Guayaquil Ecuador duque Cespol edu ec Resumen Al norte de la provincia Santa Elena se encuentra el Centro Artesanal de Procesadores de Paja Toquilla quienes a trav s del Programa de Desarrollo de la Pen nsula de Santa Elena solicitaron el dise o de un sistema que acelere el proceso de secado de la fibra a fin de mejorar la calidad del producto y optimizar el proceso El dise o t rmico y dimensionamiento de los componentes del sistema se efectu a trav s de un proceso iterativo para equilibrar la capacidad de transferencia de calor dada por el arreglo del banco de tubos al interior del horno y el flujo de calor que se requiere ingresar a la c mara El tipo de secado se realiza por lotes por convecci n directa entre la fibra y el aire que se calienta por medio de un intercambiador de calor tipo compacto La forma y tama o del intercambiador de calor ubicado al interior del horno est n limitadas a las caracter sticas particulares del mismo Derivado del proceso de dise o usando MATLAB se
7. a Tabla 3 Resultados del proceso de secado Par metro Unidad Resultado Masa de 1 cogollo g 44 28 Masa inicial de cogollo h medo g 171 92 Porcentaje de humedad extra da 50 N mero de cogollos 250 Masa de agua a evaporar total Kg 21 49 Flujo m sico de aire Kg h 6540 Caudal volum trico de aire cfm 3400 Se seleccion un intercambiador de calor del tipo compacto en donde se produzca la transferencia de energ a entre el agua y el aire debido a su econom a en su construcci n y operaci n Especial cuidado debe tomarse al seleccionar las dimensiones del radiador Las dimensiones fueron inicialmente asumidas y a trav s de iteraciones refinadas hasta obtener los valores los cuales se ajusten a los requerimientos energ ticos y de espacio Tabla 4 Dimensiones del Radiador Ancho a 26 in 0 66 m Altura H 24 in 0 61 m N mero filas en direcci n del aire N 3 Se ha seleccionado un ventilador centr fugo para esta aplicaci n por cuanto stos presentan una mayor resistencia a la erosi n que provoca el polvo en suspensi n adicionalmente pueden tolerar las fluctuaciones de temperatura as como temperaturas mucho m s elevadas que los ventiladores axiales La selecci n del ventilador y extractor m s apropiados para el sistema en funci n de los requerimientos de carga y desempe o O 3400 cfm y SPT 0 503 in col H 0 se efectu a tra
8. a Tabla 5 Tabla 5 Costo total de implementaci n tem Descripci n Costo USD M Materiales 1 308 25 N Equipos 1 230 00 O Mano de Obra 655 00 Subtotal 3 193 25 Impuestos IVA 12 383 19 Total 3 576 44 Los costos de operaci n son equivalentes al consumo de energ a el ctrica del ventilador y la bomba de agua que son parte de este equipo Cabe recalcar que no se incluye el costo del combustible usado en el horno puesto que es un sistema de recuperaci n de energ a dentro del horno El consumo de energ a el ctrica por mes se obtiene multiplicando la potencia de los equipos por el n mero de horas que stos se mantendr n operando Puesto que en el CAPPT se trabaja un promedio de 12 horas al d a 7 d as a la semana el consumo en kilowatios hora es igual a 561 6 kW h Siendo la tarifa del kilovatio hora igual a 0 0831 USD el costo operativo del sistema al mes es igual a 46 67 USD 4 Conclusiones El principal objetivo en el desarrollo de este proyecto fue el de proveer al Centro Artesanal de Procesadores de Paja Toquilla un sistema de secado mec nico para la fibra de paja toquilla lo cual constituye una manera de sobreponerse a las limitaciones impuestas por las temperaturas y la humedad relativa que ocurren de forma natural debido a las variaciones del clima en el lugar La alternativa propuesta es a la vez sustentable en cuanto al uso de recursos tiempo y facilidad de
9. enta en la siguiente ecuaci n o a AT E 6 Los mayores esfuerzos t rmicos ocurren principalmente en los concentradores de esfuerzos en este caso en donde se produce la uni n del haz de tubos con la placa Siendo as se determin que esta uni n sea soldada puesto que las uniones soldadas de haz y placa son m s robustas y confiables que las uniones mandriladas o expandidas 6 3 2 1 Ca das de Presi n Cuando se dise a intercambiadores de calor es necesario verificar que la p rdida de presi n en los fluidos que intervienen en el proceso no sea mayor que un m ximo permitido Para hallar la ca da de presi n del lado de los tubos es suficiente con tomar un solo tubo y determinar las p rdidas por fricci n debidas al paso del fluido por el interior del tubo A esto debe sum rsele las p rdidas menores debido al cambio de direcci n del flujo y las entradas esto es la f rmula siguiente 2 h 15 E 0 D 29 La bomba seleccionada para la circulaci n del fluido en el proceso debe desarrollar suficiente carga a la capacidad deseada para vencer las p rdidas de fricci n causadas por la tuber a conexiones ca da de presi n en los intercambiadores de calor y la diferencia de cabezal por altura Sumado las p rdidas por fricci n en las tuber as la diferencia de cabezal por altura 2 50 m y la ca da de presi n en el radiador se tiene un cabezal de la bomba h igual a 9 24 m 3 3 Modelo Computarizado
10. figura que se presenta a continuaci n se muestra la configuraci n propuesta para el intercambiador de calor Ramales Figura 4 Configuraci n de Intercambiador de Calor La capacidad de transferir calor en el dispositivo est dada por la ecuaci n siguiente Q UAAT 3 donde la diferencia de temperaturas media logar tmica viene dada a trav s de la siguiente expresi n AT An SS In AT AT La determinaci n del coeficiente global de transferencia U engloba los coeficientes de convecci n de conducci n de radiaci n adem s de las resistencias ocasionadas por los dep sitos propios de los fluidos en el proceso Para el caso particular el coeficiente global de transferencia de calor se deriva del circuito t rmico que se presenta a continuaci n Rh Rdo Rk Rdi Rci Too gt gt Tb Figura 5 Circuito T rmico Siendo Miotal I radiaci n Y I convecci n _ externa 5 Donde R resistencia de radiaci n R o resistencia de convecci n externa Rao resistencia de incrustaciones externas Ry resistencia de conducci n R4i resistencia de incrustaciones internas y R resistencia de convecci n interna 3 2 1 Esfuerzos T rmicos Los esfuerzos t rmicos que se desarrollan si la estructura o un elemento de la misma est completamente restringido equivalen al producto del coeficiente de expansi n lineal el cambio de temperatura y el m dulo de Young del material como se pres
11. leccionada es necesario contar con lo siguiente 1 c mara de secado 1 intercambiador de calor agua aire radiador 1 ventilador te 1 extractor 1 intercambiador de calor entre los gases de combusti n y el agua y 1 sistema que conduzca el agua en un ciclo cerrado entre el intercambiador de calor ubicado en el horno y el radiador 2 Metodolog a Para el dimensionamiento de los componentes del sistema es necesario realizar un proceso iterativo con el fin de equilibrar la capacidad de transferencia de calor dada por el arreglo del banco de tubos al interior del horno y el flujo de calor que se requiere ingresar a la c mara de secado Inicialmente se estima el n mero de cogollos a secar para luego a trav s de c lculos psicrom tricos obtener el flujo de aire necesario para evaporar parte de la humedad que contiene la fibra El flujo de agua se calcula a trav s de un balance energ tico en el radiador El dimensionamiento del radiador se basa en configuraciones est ndar para este tipo de equipos Es por esto que para su an lisis se seleccion el m todo NUT N mero de Unidades de Transferencia para poder analizar el comportamiento de la configuraci n seleccionada bajo par metros diferentes de dise o Existen ciertas restricciones en cuanto a la forma y tama o del intercambiador agua gases de combusti n debido a las caracter sticas particulares del horno artesanal en cuyo interior se ubicar
12. obtuvo un programa de computaci n para ser aplicado en sistemas similares Se efectu un an lisis de costos herramienta en la determinaci n de la viabilidad de la soluci n planteada Palabras Claves paja toquilla secado intercambiador de calor Abstract North of Santa Elena is placed the Centro Artesanal de Procesadores de Paja Toquilla who through the Programa de Desarrollo de la Pen nsula de Santa Elena asked to design a system to expedite the drying process of the fiber to improve product quality and optimize the process The thermal design and dimensioning of the components of the system was made through an iterative process to balance the capacity of heat transfer given by the bank of tubes inside the furnace and the heat flux is required to enter the drying chamber The rate of drying is done in batches through direct convection between the fiber and air which is heated through a type compact heat exchanger The shape and size of the heat exchanger located inside the furnace are limited to the particular characteristics of it Derived from the design process using MATLAB was a computer program to be implemented in similar systems It was conducted a cost analysis tool in determining the feasibility of the designe proposed Keywords toquilla strow drying process heat exchanger 1 Introducci n La Comuna Barcelona ubicada al norte de la provincia de Santa Elena es uno de los centros m s importantes de procesamiento
13. or a trav s de la investigaci n de la literatura t cnica 1 2 3 5 Tomando en consideraci n la calidad del producto que se quiere obtener y en comparaci n a productos que presentan similares caracter sticas se fij la temperatura de secado en 40 C Durante el proceso de secado de la paja toquilla el aire atmosf rico pasa por tres estados el aire ambiente punto 1 incrementa su capacidad de absorber humedad al aumentar su temperatura punto 2 cuando pasa a trav s del intercambiador de calor luego circula a trav s de los cogollos de paja toquilla hasta llegar al punto de m xima capacidad de absorbencia de agua punto 3 con la correspondiente disminuci n de su temperatura y finalmente es expulsado por medio de un extractor colocado en la parte superior del cuarto Es necesario determinar los tres puntos que describen el proceso termodin mico que se lleva a cabo al interior de la c mara para as obtener la cantidad de aire que debe circular En la tabla siguiente se muestra el resumen de las propiedades que definen estos puntos Tabla 1 Propiedades termodin micas del aire Punto 1 Punto 2 Punto 3 Humedad relativa q 60 26 100 Temperatura Tys C 25 40 23 6 Humedad especitica 10 0 012 0 012 0 019 Kg H20 Kg aire Entalp a h kJ Kg 55 43 70 82 70 82 Con los puntos 1 y 3 se obtiene la cantidad de agua absorbida por el aire restando los respectivos valores de h
14. umedad espec fica esto es A 0 007 Kg HO Kg aire La masa psicrom trica de aire que necesita ingresar al secador es 21 49kg _ agua h 0 007kg _ agua kg _ aire 3222kg h a La tasa energ tica que debe suministrarse para aumentar la temperatura de la fibra de paja toquilla de 25 a 40 C es decir el flujo de calor sensible de la paja toquilla Q se obtiene de la siguiente ecuaci n Q m ma T El c lculo del flujo de calor latente Q obedecer a la ecuaci n siguiente _mMhg H H 2 Q i Siendo hp la entalp a de vaporizaci n 2406 7 kJ kg agua H y Hp la Humedad inicial y final de la paja toquilla en kg agua kg paja toquilla El flujo de calor total que se requiere ingresar a la c mara de secado se obtiene de la suma de los flujos de calor sensible de la paja toquilla y de calor latente para el contenido de humedad y las p rdidas El calor que se pierde al medio ambiente a trav s de la c mara puede dividirse en P rdida a trav s de las paredes y P rdida a trav s del tumbado En la Tabla 2 se encuentran las p rdidas definidas en Watios Tabla 2 Energ a cal rica requerida Par metro Unidad Resultado Calor sensible de la paja toquilla KJ h 313 Sa para el contenido de KJ h 65041 P rdida de calor total KJ h 538 Calor total KJ h 98838 La tabla siguiente resume los resultados obtenidos para la c mara de secado de paja toquill
15. v s de las curvas caracter sticas de estos equipos desarrolladas por el fabricante Airprotek S A Del cat logo de Equipos Anzola se seleccion el ventilador centr fugo modelo CB 505 y el extractor del tipo axial modelo DA 500 8 257 con un motor de 1 2 Hp y 1700 rpm 3 2 Intercambiador de calor agua gases de combusti n Para el dise o del intercambiador de calor gases de combusti n agua se ha empleado el m todo LMTD Log Mean Temperature Difference o Diferencia de Temperaturas Media Logar tmica puesto que con el conocimiento de las temperaturas de entrada y salida y el flujo m sico de los fluidos es posible determinar el rea de transferencia de calor Dentro de la planta cuentan con tres hornos de los cuales se ha seleccionado el que opera m s horas al d a para que este sistema sea implementado El referido horno tiene las dimensiones especificadas a continuaci n y se muestra en las Figura 3 Tabla 5 Dimensiones del Horno Artesanal Ancho cm 45 Altura cm 36 Profundidad cm 90 Figura 3 Vista frontal del Horno Como se puede ver existe una limitante en cuanto al espacio en el cual podr instalarse el intercambiador y por ende la configuraci n las dimensiones y capacidad de transferencia de calor del mismo Consecuentemente se dispuso de dos cabezales para el ingreso y salida del fluido de trabajo los mismos que se ubican hacia las paredes laterales del horno En la
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