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XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS
LUGO, 26-28 Septiembre, 2007
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA SISTEMA DE SECADO EN UNA EMPRESA HORTOFRUTÍCOLA
M. Socorro García-Cascales(p), F. Javier Perez Martinez, Eduardo Ruiz Delgado
Abstract We are in a changing situation, in which agriculture is being greatly affected by external factors that although in the past were not critical, are at present becoming determining factors (developing countries, fuels, climatic change, etc...).
This fact pushes us to seek to introduce improvements into the sector of the fruit-horticultural companies in the Levante and Murcia regions, where progress is doubly difficult due to the phenomenon of urbanistic growth and the scarcity of water.
The object of the present paper is to carry out a technical analysis, to size the thermal solar energy equipment needed in a drying system of a fruit horticultural company.
The solar system seeks to reduce the diesel consumption of a fruit-drying machine. Making use of the system to capture air on the roof, hot atmospheric air from the exterior is supplied to the system’s burners. In this way the burners work less since the temperature increase required for the drying air is not so great.
In order to do this two options have been considered both of which are based on the working principle of the flat plate solar receivers: in the first option, a direct solar system with a flat air receiver based on the direct heating of the air in the solar receiver, and a second option by means of an indirect solar system, with a flat liquid receiver based on heating water which then gives off its heat in a fan-coil.
Keywords: Thermal solar energy, fruit-drying
Resumen Estamos en una situación cambiante, en el que la agricultura se está viendo muy afectada por añadidos externos que, aunque en un pasado no eran críticos, actualmente se están convirtiendo en factores determinantes (países en vías de desarrollo, combustibles, cambio climático, etc...).
Este hecho nos empuja a intentar introducir mejoras en el entorno de las empresas hortofrutícolas en las regiones levantinas y murciana dónde la progresión se hace doblemente difícil por el fenómeno urbanístico en alza y la escasez de agua.
El objeto del presente artículo, consiste en la realización de un análisis técnico, para el dimensionamiento de los equipos de energía solar térmica necesarios a instalar en un sistema de secado de una empresa hortofrutícola.
El sistema solar pretende reducir el consumo de gasoil en un tren de secado de fruta. Aprovechando el sistema de captación de la cubierta se suministra el aire ambiente del
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exterior caliente a los quemadores del tren. Reduciéndose la actividad del quemador al tener que dar un menor salto térmico al aire de secado.
Para ello se han considerado dos opciones ambas basadas en el principio de funcionamiento de los captadores solares de placa plana: En una primera opción, un sistema solar directo con captador plano de aire que se basa en el calentamiento directo del aire en el captador solar, y una segunda opción mediante un sistema solar indirecto, con captador plano de líquido que se basa en el calentamiento de agua que posteriormente cede su calor al aire en un fan-coil.
Palabras clave: Energía solar térmica, secado de fruta.
1. Introducción Estamos en una situación cambiante, en el que la agricultura se está viendo muy afectada por añadidos externos que, aunque en un pasado no eran críticos, actualmente se están convirtiendo en factores determinantes (países en vías de desarrollo, combustibles, cambio climático, etc...).
El fenómeno de la globalización parece ser el origen en la andadura de un camino sin retorno y que desembocará en un mar de dudas, si cabe, más denso de lo que actualmente ya está.
A esta situación generalizada, se suman artículos de prensa [1], estudios , etc.. reverenciando el bajo nivel de tecnificación en el sector Hortofrutícola, lo que ayuda a generar una mayor agonía y desesperación de todos los involucrados en este escenario.
En vistas de la situación de incertidumbre a nivel nacional y europeo, la propia Comisión Europea lanza un aviso importante en el que se pregunta acerca del futuro de la agricultura y de la alimentación en Europa.
¿Qué es lo que se espera de un sector agrario moderno y cómo puede contribuir la política comunitaria a lograrlo? ¿Cómo podemos mejorar la sostenibilidad de la agricultura, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental y social? ¿Cuáles son las características de un alimento de calidad y qué relación hay entre la calidad y el precio?. Según una encuesta, los ciudadanos de la UE consideran que la prioridad de la PAC debe ser garantizar la seguridad de los productos agrícolas, fomentar el respeto del medio ambiente, proteger las explotaciones agrarias de pequeño o mediano tamaño y ayudar a los agricultores a adaptar su producción a las expectativas de los consumidores.
Los objetivos que se persiguen son la transparencia, la calidad y la seguridad, además de un sector agrario que respete el medio ambiente y el bienestar social para conseguir un sector agrario y alimentario más sostenible aún que el actual. Así, hemos analizado el auge mundial de las Energías Renovables y hemos tratado de focalizarlo en el sector agroalimentario para minimizar en la medida de lo posible las variables externas que influyen directamente en su proceso de crecimiento y supervivencia.
2. Desarrollo del proyecto
2.1 Objeto El objeto de la presente comunicación, consiste en la realización de un análisis técnico, para el dimensionamiento de los equipos de Energía Solar Térmica necesarios a instalar en un sistema de secado de una empresa hortofrutícola. El nombre de la empresa se ha omitido en el documento por motivos de confidencialidad. No obstante todos los datos aportados son reales y fiables.
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El proyecto pretende ser un análisis de la viabilidad técnica de los sistemas solares en este tipo de instalaciones. A partir de la aplicación concreta que nos ocupa se pueden extrapolar los resultados a otras aplicaciones. Se ha elegido por este motivo una aplicación con condiciones muy restrictivas de caudales y temperaturas.
El sistema solar pretende reducir el consumo de gasoil en un tren de secado de fruta. Aprovechando el sistema de captación de la cubierta se suministra el aire ambiente del exterior caliente a los quemadores del tren. Reduciéndose la actividad del quemador al tener que dar un menor salto térmico al aire de secado.
2.2 Datos de partida Se consideran los siguientes datos de partida
• Ubicación de la Instalación: MURCIA
• Orientación del campo de colectores: SUR
• Existencia de sombras en las proximidades: NO
• Superficie disponible: Siempre mayor que la necesaria para el campo solar. La cubierta está dispuesta en forma de diente de sierra y el techo esta diseñado y construido para resistir la carga adicional que supone el peso del campo solar.
• Colocación de los colectores: Para el cálculo básico, se consideran integrados en la cubierta (aproximadamente 15º). Para el cálculo detallado se considerará 50º. [2,3,4]
• Datos de Irradiación: Los parámetros meteorológicos están definidos para la zona IV según el CTE [3]. Los valores se han tomado de CENSOLAR y Solar Irradiation Data Utility. [4,5]
• Datos de condiciones ambientales: Estadísticas oficiales de la Región de Murcia.
• Todos los Equipos a emplear en los sistemas son estrictamente comerciales. Y los captadores están homologados por algún Organismo Europeo Autorizado.
2.3 Explicación del proceso productivo El sistema tiene por propósito realizar la limpieza de los productos hortofrutícolas y darles un acabado superficial atractivo al consumidor.
El proceso se inicia con el lavado por agua del producto. Los restos de agua que quedan en la superficie son secados en la primera fase del túnel. A continuación se produce el encerado del producto, una vez aplicada la cera se produce el secado final en la segunda fase del túnel.
El sistema esta constituido por los siguientes elementos
1. Cinta de transporte de los vegetales.
La cinta de transporte es de tipo convencional de rodillos, tan solo asegura el aporte de producto a la siguiente fase de lavado. El vertido del producto sobre la cinta se realiza de modo manual.
2. Cuba de lavado con agua
Es una cuba de lavado con agua clara por medio de sistema de chorro disperso. El producto llega a la siguiente fase desprovisto de polvo y barro.
3. Primera fase de secado
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Se realiza mediante un equipo de calentamiento de aire por quemador de gasoil MET MANN modelo MM-160-H. Este equipo suministra a cada una de las dos fases de secado del proceso 17.500 m3/h de aire a una temperatura de entre 32ºC y 40ºC. Nosotros consideraremos 40º C en nuestros cálculos como temperatura objetivo. El rendimiento declarado por el fabricante de este quemador es del 90%.
Consta a su vez de un ventilador que introduce el aire en una cámara de combustión. Este aire es calentado a la temperatura de consigna y vuelto a impulsar sobre la bandeja de trasiego de producto. La aspiración del sistema no lleva restricciones que pudieran mermar este caudal.
4. Encerado
Es un receptáculo donde se atomiza el líquido abrillantador (cera) sobre la superficie del producto.
5. Segunda fase de secado
También se realiza mediante un equipo de calentamiento de aire por quemador de gasoil MET MANN modelo MM-160-H. En esta fase se produce el secado final de la cera para que el producto termine por adquirir el aspecto exterior deseado.
El sistema trabaja con temperaturas de entre 30ºC y 40ºC de salida del aire. El incremento de temperatura estándar del equipo es de 30ºC. Así en verano se pueden conseguir temperaturas de 40ºC o superiores y en invierno se consiguen temperaturas de unos 30ºC/35ºC.
El sistema funciona por el principio todo/nada aprovechando la inercia térmica del intercambiador piro-tubular que transfiere el calor de los gases de escape al aire. Cuando la temperatura es menor que la histéresis de conexión el quemador se arranca y se pone a quemar gasoil. De igual modo cuando se ha superado la temperatura de consigna según el valor establecido en la histéresis de desconexión el quemador se apaga.
El sistema se emplea durante parte del año, principalmente en el periodo que media de Octubre a Junio. Durante este tiempo se viene observando un consumo de unos 16.000 litros de gasoil (0,6 Euros/litro). Más adelante contrastaremos este valor con los cálculos.
Figura 1. Proceso productivo
Con objeto de aprovechar más eficientemente el sistema se ha dispuesto un by-pass de aire en la primera fase de secado. Se pretende que el aire que sale de la primera fase que aún
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esta caliente vuelva a entrar caliente para tener que aportar menor energía. Este by-pass está configurado de un modo que se evita la entrada directa sobre la aspiración del ventilador. Así se difunde mejor el exceso de humedad que pudiera llevar y que haría más costoso el incremento térmico del aire.
En la figura 1 se muestra esquemáticamente el proceso productivo.
2.4 Propuesta básica Hay que contemplar dos opciones:
Opción A) Sistema solar directo, con captador plano de aire con las siguientes características básicas.
Modelo JUMBOSOLAR GLK Dimensiones 2.500X1.003X175 Superficie bruta (m2) 2,51 Peso (kg) 75 Capacidad (l) 228
Tabla 1. Homologado por el instituto ARSENAL RESEARCH A-Wien según informe IEA-TASK 19 SOLAR AIR SYSTEMS.
Opción B) Sistema solar indirecto, con captador plano de liquido con las siguientes características básicas.
Modelo SUNNYSOL UP Dimensiones 1.070X2.100X85 Superficie bruta (m2) 2,02 Peso (kg) 45 Capacidad (l) 1,95
Tabla 2. Homologado por el instituto INTA con contraseña de homologación NPS-5105
El Sistema Solar Directo se basa en el calentamiento directo del aire en el captador solar y el Sistema Solar Indirecto se basa en el calentamiento de agua que posteriormente cede su calor al aire en un fan-coil.
Con objeto de acotar cuál de las dos soluciones conviene adoptar como más idónea. Se ha realizado un análisis preliminar de cada opción. La que se manifieste como más adecuada será objeto de un análisis más pormenorizado considerando las posibles optimizaciones que pudieran darse.
Con objeto de comparar resultados para poder discriminar la opción menos interesante se va a considerar, en la medida de lo posible; la misma configuración en los dos casos.
2.5. Descripción del sistema solar directo El sistema está compuesto por una batería de captadores planos dispuestos en cubierta tal y como se indica en la figura 2.
Cada línea de captadores está compuesta por doce unidades individuales de captación ensambladas entre sí. El aire entra por un extremo del captador y se calienta a lo largo de toda su longitud, la entrada del aire está protegida por un cartucho filtrante para evitar el ensuciamiento interior del colector.
El colector trabaja en depresión, un ventilador en el extremo de salida del colector impulsa el aire calentado a los conductos de distribución. Estos conductos de distribución llevan el aire calentado hasta la aspiración de los módulos de calentamiento del tren de secado.
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Figura 2: Descripción del sistema solar directo
Los ventiladores del sistema se ponen en marcha cuando el tren de secado se pone en marcha de esa manera no se produce restricción de caudal en la entrada del tren de secado. La velocidad del ventilador se puede regular para favorecer el trabajo de la turbina del tren de secado. El sistema lleva un sistema de regulación de temperatura propio para evitar sobrecalentamientos.
Cálculo inicial del sistema solar directo.
Figura 3: Asociación y parámetros de funcionamiento del campo solar
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El valor a obtener en el cálculo es el incremento de temperatura que podemos obtener con el sistema, a partir de aquí se obtiene el ahorro energético.
El sistema trabaja con un campo solar formado por 16 líneas de 12 colectores cada línea. Los parámetros de funcionamiento básicos para el campo solar se muestran en la siguiente. Figura 3.
Con los valores de caudal y a partir de los calores específicos para el aire húmedo obtenemos el ahorro energético potencial que podríamos obtener. [2,4]. Ver figura 4.
Figura 4: Ahorro energético anual del sistema solar directo
A la hora de comparar las dos opciones vamos a realizarlo también con los datos de coste que tiene cada sistema. Ver tabla 3.
CANTIDAD PRECIO € TOTAL €
Colectores TNY 16 líneas 6.769 108.304
Resto equipos:
Kit varios de fijación, Conductos aislados , Kit conexiones rápidos, Ventiladores, Otros
1 13.560 13.560
TOTAL 121.864 € Tabla 3: Valoración económica del sistema solar directo
Estos precios solo tienen en cuenta materiales. No se incluyen los siguientes conceptos: instalación ni puesta en marcha, reforzamiento de estructura, grúa ni albañilería, no están consideradas las subvenciones de la Administración.
2.6 Descripción del sistema solar indirecto El sistema solar indirecto está configurado por una batería de captadores solares planos ubicados en la misma posición que los colectores de la opción anterior.
La agrupación esta formada por dos campos de 19 líneas con 6 captadores por línea, ver figura 5. Cada captador funciona según el principio que se muestra en la figura 6.
El fluido entra por el extremo del captador y es calentado durante su paso por el colector. Una vez calentado a lo largo de los captadores que forman cada línea, el flujo se une con el procedente del resto de líneas. El flujo total se bombea a los dos fan-coils. En el fan-coil se
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produce el intercambio de calor agua-aire por medio de un intercambiador de flujo cruzado. El fan-coil calienta el aire que va a ser utilizado a continuación en el tren de secado.
Cálculo inicial del sistema solar indirecto
Figura 5: Asociación y parámetros de funcionamiento del campo solar
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Figura 6: Esquema del sistema solar indirecto
A partir de los valores de irradiación y con los valores obtenidos de rendimiento se obtiene por balance térmico los saltos de temperatura [2,4]. Ver figura 7
Figura 7: Ahorro energético anual del sistema solar indirecto
De igual modo que para el caso anterior se va a realizar una valoración económica del costo del sistema para poder comparar con la opción A. Ver tabla 4
CANTIDAD PRECIO € TOTAL €
Colectores SunnSol 228 600 136.800
Fancoils 2 4.000 8.000
Resto equipos: Kit varios de fijación, Conductos aislados, Kit conexiones rápidos, Tanque expansión, Soportes
1 26.500 26.500
TOTAL 171.300 € Tabla 4: Valoración económica del sistema solar indirecto.
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3. Selección del sistema definitivo a considerar
CONCEPTO OPCION A (Captadores por aire)
OPCION B (Captadores planos por fluido con Fan-Coil adicional)
Ahorro en gasoil 8.646 litros 11.698 litros
Porcentaje de ahorro 54% 73%
Costo de materiales orientativo del sistema 121.864 Euros 171.300 Euros
Complejidad Prácticamente Nula Media
Necesidades de mantenimiento Solo cambio de filtros Medias
Relación Costo/Ahorro 2.257 2.346
Ahorro en emisiones CO2 a la atmósfera 23.084 kg 31.233 kg
Tabla 5: Comparación de las dos opciones
La opción A se muestra como más económica pero con menor porcentaje de ahorro que la opción B. Si hacemos una comparación Costo/ Ahorro las dos salen similares con una ligera ventaja de la opción A. La opción elegida es la A, dado que es más simple constructivamente al no trabajar con fluido a presión y alta temperatura, en esta opción el intercambio es directo el fluido se calienta y va directamente al tren de secado sin intercambio intermedio y tiene mejor mantenimiento que la B.
4. Cálculo optimizado de la opción elegida Vamos a considerar los siguientes aspectos adicionales:
• Emplearemos una inclinación de los paneles de 50º debido a que el uso de la instalación está desplazado a los meses de invierno y otoño principalmente.
• Emplearemos la mínima cantidad de paneles posible para aportar el caudal que se requiere (35000 m3/h) y así evitar sobrecargar en exceso el tejado. De este modo aseguramos el caudal de proceso y nos podemos evitar el reforzamiento de la nave. El máximo caudal permitido para los paneles es de 2300 m3/h. Esto indica que habría que tener al menos 16 líneas de 8 captadores. Con objeto de dar margen de trabajo al captador se han considerado 20 líneas de 8 captadores, ver figura 9. De este modo el captador estará trabajando en condiciones nominales con el 75% de su caudal máximo.
• La colocación de los paneles en el tejado será lo más distribuida posible para evitar cargas concentradas elevadas en la cubierta de la nave. Aunque esto supone una mayor longitud de conductos.
En la figura 8 se muestra la distribución de paneles sobre la cubierta.
Figura 8: Distribución de paneles sobre la cubierta
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Figura 9: Asociación y parámetros de funcionamiento del campo solar
Para calcular el rendimiento global del campo se ha realizado el análisis del comportamiento de cada una de las líneas individualmente. A continuación se combinan estos resultados para obtener el funcionamiento del campo en términos de rendimiento. [2,3,4]
Figura 10: Comportamiento de una de las líneas en diciembre
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Figura 11: Comportamiento del campo total agrupado para la misma condición en diciembre
Con los valores de saltos de temperatura, caudales y las condiciones de trabajo del quemador vamos a obtener los balances energéticos. [2,4]. Ver figura 12.
Los valores obtenidos son ligeramente menores que los que arrojaron los cálculos preliminares de la opción A. Esto es así porque hemos reducido el número de captadores en un 11%. Esta reducción no se muestra tan impactante como debería porque el ángulo de inclinación ha mejorado al variar de 15º a 50º.
Figura 12: Balance energético del sistema solar directo optimizado
5. Conclusiones Se ha abordado el proyecto a partir de un análisis de alternativas, este análisis de alternativas refleja la viabilidad técnica que hay en este tipo de sistemas hoy en día.
Dos tecnologías que de un modo simple y sin elementos mecánicos complejos muestran significativas cifras de ahorro de energía primaria, lo cual se traduce asimismo en ahorro de emisiones de CO2 a la atmósfera.
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Pero no debemos olvidar la viabilidad económica para que el usuario final considere esta tecnología como algo interesante. Para lo cual sería interesante desarrollar un estudio detallado del mismo que corrobore la aplicabilidad de estas tecnologías en este tipo de procesos.
Pero no hay que perder de vista que el cálculo está realizado para una aplicación concreta. Una aplicación en la que estamos considerando elevados caudales de aire, la máxima temperatura alcanzable por el sistema original y una estacionalidad muy marcada. Esto quiere decir que estamos ante unas condiciones de aplicación muy restrictivas. Si en aplicaciones tan restrictivas como estas obtenemos cifras de cierto interés, en el resto de aplicaciones vamos a estar en una situación de gran posibilidad de aplicación de este tipo de instalaciones solares.
Lo cual redundará en una mejora de procesos en el sector agrario más respetuoso con el medioambiente con el objeto de perseguir un sector agrario y alimentario más sostenible tanto desde el punto de vista económico, medioambiental y social
Referencias [1] D. Baldomero Segura (UPV) y D.Fernando Vidal (U. Miguel Hernández) El valor de la ineficiencia técnica en las cooperativas agrarias de comercialización hortofrutícola”, artículo de publicado en infoagro.com
[2] Germán Lopez Lara, Bernd-Rainer Kasper, Berhnhard Weyres-Borchert “Instalaciones solares térmicas” Junta de Andalucía. 2004
[3] Real Decreto 314/2006 de 17 de Marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. CTE. Ministerio de Vivienda. Madrid:
[4] “Sistemas solares térmicos” Curso CENSOLAR. 2006
[5] Solar Irradiation Data Utility (http://sunbird.jrc.it/pvgis/solradframe.php.).
Agradecimientos Este artículo se ha realizado gracias a la colaboración de la empresa Tecnology Energías Renovables y Confort www.tecnology.es
Correspondencia (Para más información contacte con):
M. Socorro García Cascales: Universidad Politécnica de Cartagena. Departamento de Electrónica Tecnología de Computadoras y Proyectos. Campus Universitario Muralla del Mar C/Dr Fleming s/n. 30.202 Cartagena Murcia, Spain. Phone: +34 968 326574 Fax: +34 968 326400 E-mail : [email protected]
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