Paper - Evaporador Solar.docx

Optimización y validación de un evaporador solar para extracción parcial de humedad y recolección de condensado de tusa, agua azucarada y bagazo de caña. Campaña D., Jaya B., Maldonado C. Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Sangolquí-Ecuador e-mail: (dxcampana, bjaya, cimaldonado3)@espe.edu.ec Resumen – Este artículo resume el trabajo de optimización y validación de un evaporador solar, realizado en el cuadro de la asignatura de Sistemas Energéticos de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Este proyecto se presenta como una alternativa al uso de energías no renovables, aprovechando la radiación calórica del sol para secar biomasas y encontrar un uso tanto a estas como al condensado recolectado. Se partió desde un proyecto ya existente, pero se enfocó en aspectos como la optimización de la estructura, cambiando la cubierta e inclinando ligeramente el sistema para recolectar el agua condensada, y la recopilación de los resultados en una base de datos que almacena los valores de humedad, temperatura y concentración en intervalos de treinta minutos para traducirlos en gráficas que permitan un análisis más detallado y de fácil comprensión del comportamiento del evaporador. Todo esto con la finalidad de validar el sistema con tres diferentes tipos de biomasas tales como la tusa, agua azucarada y bagazo de caña los cuales pueden tener un uso posterior como biorreactores o combustibles. Palabras clave - Evaporador solar, biomasa, energía solar, condensado, humedad, domo. Abstract – This article summarizes the work of optimization and validation of a solar evaporator, related to the subject of Energy Systems of the University of the Armed Forces ESPE. This project is presented as an alternative to the use of nonrenewable energies, taking advantage of the heat radiation of the sun to dry biomass and find a use for the biomass as for the condensate collected. It started from an existing project, but it focus on aspects such as the optimization of the structure, changing the roof and slightly tilting the system to collect the condensed water, and the collection of the results in a database that stores the values of humidity, temperature and concentration in thirty minute intervals to translate them into graphs that allow a more detailed and easily understood analysis of the behavior of the evaporator. All this with the purpose of validating the system with three different types of biomasses such as cob, sugar water and sugarcane bagasse which may have a later use as bioreactors or fuels. Keywords - Solar evaporator, biomass, solar energy, condensate, humidity, dome.

I.

INTRODUCCION

La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando. Hoy en día, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotoeléctricas, heliostatos o colectores solares, pudiendo transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad. [1] Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según como capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores solares térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural. Uno de los problemas principales de los colectores solares de placa plana como los paneles fotovoltaicos, es que su eficiencia se ve drásticamente disminuida cuando los rayos solares no se reciben directamente, lo cual ocurre durante gran parte del día. En la actualidad se están desarrollando y probando algunos sistemas automáticos que permiten seguir la posición del sol en el cielo, con lo cual será posible aprovechar al máximo su energía. [2] Es por esto que en este proyecto se ha optado por utilizar una estructura tipo domo con la que se puede seguir aprovechando la luz solar aún cuando esta no este incidiendo directamente y convertirla en energía térmica para secar biomasas. La base del sistema es de color café

oscuro ya que las superficies oscuras calientan más, y en conjunto con el domo elaborado en policarbonato permiten conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del evaporador. Este rendimiento se analiza por medio de gráficas de temperatura, humedad y concentración obtenidas a través de sensores electrónicos ubicados en el sistema, aplicándose a tres biomasas con diferente porcentaje de humedad como son la tusa y el bagazo de caña como biomasas sólidas, y el agua azucarada proveniente de la elaboración de caramelos como biomasa líquida.

II.

convección del aire húmedo. El aire húmedo y caliente sube hacia el domo, donde parte del vapor de agua se condensa y resbala hacia la canal de recolección, ya como agua destilada [3]. Los procesos físicos de transferencia de calor y masa que tienen lugar en un destilador solar tipo invernadero se representan en la figura 2.

MATERIALES Y METODOS

A. Diseño El evaporador solar consta de una cámara de evaporación, una caja de control y una fuente de 12V. Sus dimensiones son de 50cm2 y 40cm de alto. El domo está hecho en acrílico mientras que el resto es de madera. Se muestra una imagen en la figura 1.

Figura 2. Relaciones de flujos de calor en un evaporador solar

C. Mejoras realizadas Para alcanzar nuestros objetivos propuestos nos hemos centrado en cuatro mejoras al sistema, tanto físicas como de software, que se presentan a continuación. a.

Figura 1. Estructura externa del evaporador solar

B. Principio de funcionamiento De la radiación solar incidente en la cubierta del evaporador, una gran parte atraviesa el domo y es absorbida por el fondo de color oscuro de la cámara de evaporación. La energía absorbida calienta el fondo de la cámara, la cual transfiere gran parte de su energía en forma de calor a la masa de agua azucarada o a la biomasa ubicada en la bandeja, la cual eleva su temperatura, por lo que aumenta el movimiento de sus moléculas. Este movimiento se hace más intenso a medida que aumenta la temperatura de la cámara lo que provoca que una parte de las moléculas deje la superficie de la biomasa por evaporación e incrementa la humedad del aire cercano a la superficie de la biomasa, lo que genera corrientes convectivas dentro del evaporador. La transferencia del vapor de agua del evaporador al condensador se lleva a cabo por difusión y por la

Optimización de la estructura

El evaporador solar inicialmente tenía una cubierta piramidal que cubría la cámara de evaporación sin embargo se observó que esta estructura no era muy eficiente, por lo que se optó por una cubierta tipo domo para que el sistema absorba los rayos del sol desde todos los ángulos a medida que este se mueve durante el día. En esta cámara se tienen sensores de temperatura, humedad y peso que denotarán las variables que influyen en el proceso de extracción de humedad. Estos sensores son controlados por medio de una tarjeta programable de Arduino que presenta dichas variables en tiempo real en una pantalla LCD para ser visualizadas por el usuario, y que son almacenadas en una tarjeta de memoria para posteriormente ser analizadas a través de gráficas. b.

Validación para diferentes biomasas

El sistema inicialmente trabajaba con un solo tipo de biomasa que era el agua azucarada. La misma era ingresada en una bandeja donde por medio de una celda de carga se medía el peso inicial y final de la biomasa y en base a esto se obtenía el porcentaje de concentración del agua azucarada, la cual una vez evaporada el agua se reducía a cristales de azúcar adheridos al fondo de la bandeja. En este proyecto se ha modificado el sistema permitiendo ingresar también biomasas sólidas como la tusa y el bagazo de caña, poseedores de una cantidad moderada de humedad. Su porcentaje de humedad se

mide por medio de un sensor de humedad en contacto directo con la biomasa, y el sistema permite al usuario determinar el porcentaje final de humedad o concentración que se desee. Esta elección del tipo de biomasa con la que se va a trabajar se realiza por medio de un menú programado en el Arduino, por el cual el usuario puede navegar mediante el uso de un keypad o botones ubicados en la caja de control.

A. Gráficas comparativas Los datos se obtuvieron en un archivo formato txt que posteriormente se cambió a Excel para poder pasarlos a gráficas de fácil comprensión y análisis. Los resultados fueron en base a dos pruebas realizadas por cada biomasa, tomando los datos cada media hora. Las gráficas obtenidas se muestran en las figuras de la 5 a la 10.

% Humedad

%Concentración vs tiempo 20 10

02/Febrero

0 8:24:0010:48:00 AM 1:12:00 AM PM

Hora

Figura 3. Tipos de biomasa analizados

Recolección del condensado

El sistema alcanza temperaturas medias-altas, lo que hace que el agua evaporada se condense en la parte superior del domo y posteriormente se resbale por sus paredes hacia la base de la cámara de evaporación. Nuestro proyecto se ha propuesto como uno de sus objetivos recolectar ese condensado y encontrarle un uso, es por esto que se optó por dar una ligera inclinación a la estructura para facilitar el movimiento del agua hacia un drenaje que llega a un vaso de recolección.

Figura 5. Variación de concentración del agua azucarada

Temperatura vs tiempo Temperatura [°C]

c.

03/Febrero

100 50

02/Febrero

0 8:24:0010:48:00 AM 1:12:00 AM PM

03/Febrero

Hora

Figura 6. Variación de temperatura del agua azucarada

% Humedad

%Humedad vs tiempo 20 10

31/Enero

0 8:24:0010:48:00 AM 1:12:00 AM PM

01/Febrero

Hora Figura 4. Estructura interna de la cámara de evaporación Figura 7. Variación de humedad de la tusa

Almacenamiento de datos

En cuanto a los datos obtenidos por los sensores, se utilizó un módulo para tarjeta SD conectado al Arduino para poder guardar los datos en un archivo de formato txt, y por medio de un software exportarlos al programa Excel para construir gráficas comparativas de cada biomasa durante el proceso de extracción de humedad.

III.

Temperatura vs tiempo Temperatura [°C]

d.

100 50

31/Enero

0 8:24:0010:48:00 AM 1:12:00 AM PM

01/Febrero

Hora

RESULTADOS Y DISCUSION Figura 8. Variación de temperatura de la tusa

realizaron las pruebas no fue el más óptimo. Sin embargo en ambientes más cálidos se podría aplicar de mejor manera el principio del evaporador solar.

% Humedad

%Humedad vs tiempo 20 10

26/Enero

0 8:24:00 10:48:00 AM 1:12:00 AM PM

[1] International Energy Agency, 2011. [En línea].

Hora

[2] D. Markham, «Las nuevas mini esferas para aprovechar la energía solar,» Ingeniería ecológica, 2012.

Figura 9. Variación de humedad del bagazo

Temperatura [°C]

Temperatura vs tiempo

[3] S. Fonseca, A. Torres y E. Miranda, «Modelo matemático y solución analítica del funcionamiento de un destilador solar de bandeja,» Santiago de Cuba, 2012.

100 50

REFERENCIAS

27/Enero

26/Enero

0 8:24:0010:48:00 AM 1:12:00 AM PM

27/Enero

Hora Figura 10. Variación de temperatura del bagazo

B. Eficiencia energética El rendimiento de los evaporadores solares está en función de la intensidad de la radiación solar, de la temperatura ambiente y de las características del evaporador. En líneas generales se estiman que los porcentajes de aprovechamiento útil de la energía solar para destilar agua rondan entre el 25 y el 50, y este rendimiento aumenta un poco cuando se trabaja con sólidos. [4]

C. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES

Y

Mediante el análisis de los gráficos se concluye que el clima cambiante de la ciudad de Quito no se presta para obtener una temperatura constante dentro del evaporador, por lo que no se puede determinar un tiempo fijo de secado de cierta cantidad de biomasa El calor máximo generado por el evaporador solar puede llegar hasta 60°C, lo cual lo hace capaz de evaporar una cantidad moderada de agua contenida en la biomasa. Sin embargo su eficiencia energética es del 50% aproximadamente ya que en esta influyen factores como el tipo de intercambio de calor, el color de la superficie de la cámara de evaporación, el diseño de la estructura, entre otros. Se logró recolectar una cantidad pequeña de agua pero no fue suficiente ya que el clima en los días que se

[4] F. Astudillo, «Destiladores solares,» Sitio Solar: Portalde energías renovables, 2014.