Evaluación de un secador solar continuo, para moldes de yeso - CINNDET

CIINDET 20086º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,

8 al 10 de octubre de 2008, Cuernavaca, Morelos., México.

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Evaluación de un secador solar continuo, para moldes de yeso que se utilizan en la industria de la cerámica

J. J Flores-Prieto, K. M. Aguilar-Castro, R. Castillo-Rincón, M. E Baltazar., y G. Álvarez-García.

Resumen

Actualmente, los ceramistas en el Estado de Morelos realizan el proceso de secado de moldes en espacios sombreados utilizando tiempos considerables, mediante la exposición directa al sol y utilizando energía de desecho de los hornos. Sin embargo, estos procesos reducen la continuidad de la producción, la calidad y la vida útil de los moldes al exponerlos a temperaturas mayores de 55ºC ó a la radiación directa del sol. Por lo anterior, se estableció un Convenio CANACYNTRA-MORELOS-CENIDET-SEP, con el que se encontró financiamiento a través del Gobierno del Estado de Morelos-CONACYT, para realizar el diseño y la construcción de un secador de moldes, que alargue la vida útil de los moldes, utilicé calor de deshecho de hornos y energía solar, de fácil reproducción y que reduzca los tiempos y movimientos durante esta parte crítica del proceso. En este trabajo se presenta una metodología de evaluación del secador que permitió detectar oportunidades para mejorar su desempeño. Se encontró que el secador presenta una constante de secado de 0,05 y su tiempo de secado fue de 5,0 días. También, se encontró que la eficiencia de los colectores solares limita la eficiencia de todo el sistema. Palabras calve: secando, secador de moldes, diseño de un secador de moldes, construcción de un secador.

Abstract

Currently, potters in the State of Morelos doing the drying process of molds in shaded areas using considerable time, through direct sunlight and using energy waste furnaces. However, these processes reduce the continuity of production, quality and shelf life of the molds to expose them to temperatures over 55°C or in direct sunlight. Therefore, an agreement was established CANACYNTRA-MORELOS-CENIDET-SEP, which found funding through the Government of the State of Morelos-CONACYT, to carry out the design and construction of a dryer molds that lengthen the life of molds, used waste heat from ovens and solar energy, easy reproduction and reduce the time and movements during this critical part of the process. In this work a methodology of evaluation of the dryer is presented that allowed to detect opportunities to improve their performance. It was found that the dryer has a constant drying 0,05 and its time of drying was of 5,0 days. Also, it was found that the efficiency of solar collectors limits the efficiency of the entire system. Keywords: drying, dryer molds, design of a dryer molds, construction of a dryer.

Introducción En la actualidad, gran parte de los ceramistas en el Estado de Morelos realizan el proceso de secado de moldes de manera artesanal, sin atender de forma considerable la posibilidad de reducir los tiempos, movimientos y espacios utilizados. El proceso de fabricación de cerámica en el Estado se realiza en nueve pasos como se indica en la Figura 1. Una vez que se tienen elaborados los moldes de yeso y se han secado (paso 1 y 2), los pasos restantes, que van del llenado de la pasta hasta el empaque y almacenamiento se pueden realizar en un solo día. Sin embargo, la etapa de secado representa un punto crítico dentro de su

_________________________________________________ José Jassón Flores Prieto, [email protected], Karla María Aguilar Castro, [email protected], Rafael Castillo Rincón,Martín Eduardo Baltazar y Gabriela del Socorro Álvarez García.

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Interior Internado Palmira s/n Col. Palmira, C. P. 62490 Cuernavaca,Morelos, México.

Agradecimiento al Gobierno del Estado de Morelos y a CONACYTpor el financiamiento al proyecto FOMIX-2004-C02-040.

Agradecimiento a la Asociación de Productores de Cerámica delEstado de Morelos, A.C, por su colaboración en este trabajo.

5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, 10 al 12 de octubre de 2008, Cuernavaca, Morelos., México

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proceso de fabricación, ya que puede durar de 10 a 20 días con cualquier método de secado mientras que el resto del proceso toma sólo un día.

Comúnmente, los ceramistas realizan el secado de los moldes en espacios sombreados utilizando tiempos considerables. Por otro lado, los ceramistas para acelerar el proceso, evitando costos adicionales, realizan el secado mediante la exposición directa al sol y utilizando la energía de desecho de los hornos. El secado al sol es una técnica útil en los días secos soleados, sin embargo, tiene desventajas ya que depende de las condiciones climáticas, requiere espacios grandes y largos tiempos de exposición al sol. Por otra parte, los rayos ultravioleta causan degradación acelerada de los moldes al igual que cuando se exponen a temperaturas mayores de 55ºC. También, la técnica de secado al sol tiene la desventaja de cortar la continuidad de la producción, reducir la calidad del producto y de reducir la vida útil de los moldes. El secado en sombra no presenta degradación acelerada de los moldes debido a la temperatura y a la radiación ultravioleta, sin embargo, el deterioro del producto ocurre cuando se desarrollan hongos en los moldes a causa del lento proceso de secado.

En este trabajo se presenta una metodología para evaluar el desempeño de un secador de moldes de yeso para la industria de la cerámica. El secador evaluado se reporta en [1], tiene las características de permitir vaciar y secar en un mismo sitio y de operar utilizando energía solar. El sistema fue construido para atender lo requerimientos de un grupo de ceramistas del Estado de Morelos. La metodología y la implementación de la metodología de evaluación permiten obtener la eficiencia térmica y la constante del secador.

Modelo físico El sistema puede dividirse en: sistema de calentamiento-almacenamiento de energía solar, intercambiador de calor y cámara de secado, tal como se muestra en la Figura 2. El sistema de calentamiento-almacenamiento de energía solar funciona captando una energía, QG, en los colectores solares y entregando Q1 al intercambiador de calor. El intercambiador de calor permite extraer calor del sistema de calentamiento solar para calentar el aire que se inyecta a la cámara de secado, Q2. La cámara de secado permite extraer el contenido de agua de los moldes evaporando QEV con la energía, Q2, cedida por el intercambiador de calor.

El desempeño térmico del sistema de calentamiento solar puede definirse como la razón de la energía Q1 entre QG, el desempeño de intercambiador

Elaboración de moldes

Al sol

Inicio del proceso

Decoración y vitrificación de la pieza cerámica

Cocción de la pieza final

Empaque y almacenamiento de la

pieza final

Fin del proceso

Primera cocción de la pieza cerámica

Secado de Moldes

Llenado

Vaciado

Remover la pieza cerámica y limpiar

A la sombra

Con desecho de

hornos

Después de 1 semana

Fig. 1 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de cerámica.

2

3

4

5

6

7

8

9

1


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de calor puede definirse de acuerdo a la razón Q2 entre Q1 y la eficiencia del secador puede estar dado por la QEV entre la suma de Q2 y Qamb. En el sistema de calentamiento solar, parte de la energía captada se pierde hacia los alrededores como QP1, en el intercambiador de calor también existen perdidas QP2, sin embargo en el secador existen tanto pérdidas como ganancias de calor por los alrededores Q3 y Qamb, respectivamente. El conjunto de QP1, QP2, Qamb y Q3 reducen o aumentan la eficiencia del sistema de secado, normalmente las perdidas de calor QP1, QP2 y Qamb reducen la eficiencia, mientras que Qamb durante el día solar incrementa la eficiencia y durante la noche la reduce.

Fig. 2 Sistema de secado.

En este trabajo, en la evaluación del desempeño térmico del sistema se consideran la constante de secado que se obtiene a partir de la cinética de secado, y la eficiencia del sistema de secado [2]. La eficiencia del secador se analiza evaluando de manera separada la eficiencia del sistema de calentamiento solar, la eficiencia del intercambiador y la eficiencia de la cámara de secado.

Modelo experimental Para evaluar la cinética de secado se requiere conocer la historia del contenido de humedad del producto y la constante de secado, k. Por otra parte, para evaluar la eficiencia del sistema de secado se propone conocer la eficiencia de los colectores, ncoll; del sistema de calentamiento, nSC; del intercambiador, nint, y del

sistema completo de secado, n. Para la evaluación de las eficiencias mencionadas se propone el siguiente diagrama del experimento, donde se muestran las variables a medir para calcular la eficiencia del sistema y la constante de secado, ver Figura 3.

Fig. 3 Diagrama de los parámetros a medir durante los experimentos.

Constante de secado

Como ya se mencionó anteriormente, k se obtiene a partir de conocer la cinética de secado que también se conoce como el cambio en el contenido de humedad del producto a lo largo del tiempo, dM/dt. Para evaluar la cinética de secado se considera la ecuación de capa delgada, considerando que la capa del material es suficientemente delgada o la velocidad del aire es alta de modo que las condiciones del aire en el proceso de secado (humedad y temperatura) se mantienen constantes en todas partes del material [3, 4]. Con lo anterior, la cinética de secado puede ser expresada con la siguiente ecuación:

( )t edM dt k M M= − − (1)

donde Mt es el contenido de humedad del producto en cualquier tiempo y Me es el contenido de humedad del producto cuando alcanza el equilibrio con el aire. Mt, esta definida con la siguiente ecuación.

( ) /t t d dM m m m= − (2)

donde mt es la humedad del producto a cualquier tiempo por unidad de masa y md es la humedad del producto cuando se considera seco. Para determinar mt se pesan dos veces al día una muestra de cuatro moldes de yeso, durante el tiempo que dure el proceso de secado. Con los datos de peso registrados se calcula Mt, utilizando la ecuación (2).


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La constante de secado [5, 6] incorpora todas las propiedades de transporte en función exponencial, y esta dada en función de la solución de la ecuación (1) y se escribe de la siguiente manera,

( ) ( )exptM t M kt= − (3)

donde k es la constante de secado.

Eficiencia de los colectores solares

La eficiencia de los colectores solares se obtiene cumpliendo los requerimientos y procedimientos de las normas ANSI/ASHRAE 93/1986 y PROY-NMX-001-NORMEX-2005 [7, 8]. Para tal efecto, en general se considera la radiación incidente en el sistema de colectores, G; el área de colección, Ac; las temperaturas de entrada y salida de los colectores, Tc1 y Tc2 ; y el flujo másico que circula a través de los colectores, m& . La eficiencia se evalúa con la siguiente ecuación:

( )2

2 11

2

1

t

C Ct

coll t

ct

mCp T T dt

A Gdtη

−=

∫

∫

& (4)

Eficiencia del sistema de calentamiento

Para evaluar la eficiencia del sistema de calentamiento se considera la radiación incidente en el sistema de colectores, el área de colección, la temperatura al interior del termotanque en el tiempo, TT(t), y la masa de agua contenida en el termotanque, mT. La eficiencia se evalúa con siguiente ecuación:

( ) ( )( )

2

2 11

2

1

T

t

T Tt

SC t

ct

m Cp T t T t dt

A Gdtη

−=

∫

∫

(5)

Eficiencia del intercambiador

Para evaluar la eficiencia del intercambiador se considera la radiación incidente en el sistema de colectores, el área de colección, la temperatura del aire a la entrada y salida del intercambiador, Tamb y T1 respectivamente; y el flujo másico de aire en el

intercambiador, intm& . La eficiencia se evalúa con la

siguiente ecuación:

( )

2

int 11

int 2

1

t

ambt

t

ct

m Cp T T dt

A Gdtη

−=

∫

∫

& (6)

Eficiencia del sistema de secado

Para evaluar la eficiencia del sistema de secado se considera la radiación incidente en el sistema de colectores, el área de colección, la cantidad de agua removida de los moldes de yeso en el tiempo ,

remm& , y finalmente la temperatura de la cámara en el interior en función del tiempo, Tc(t), para obtener el calor latente de vaporización del agua. La eficiencia del sistema de secado se evalúa con la siguiente ecuación:

2

lg1

2

1

( )t

remt

t

ct

m h T dt

A Gdtη =

∫

∫

& (7)

Con las ecuaciones mencionadas anteriormente se calculan las eficiencias en el acoplamiento de las secciones del sistema, con el fin de facilitar la detección de las pérdidas de calor que más afectan al sistema completo.

Equipo experimental El la Figura 4 se esquematiza el equipo experimental y la instrumentación utilizada en la evaluación. El equipo puede dividirse en cuatro secciones: del lado izquierdo de la figura se muestra el sistema de calentamiento (1-4); en la parte central de figura se encuentra el sistema intercambiador de calor (5); del lado derecho de la figura se muestra la sección de secado (6 y 7) y en la parte superior de la figura se muestra la sección de monitoreo y registro de las variables de temperatura y humedad del sistema de secado (8). El monitoreo y registro de las variables de temperatura y humedad relativa de la cámara de secado se realiza mediante un sistema de adquisición de datos (DATALOGER) marca Vaysala y software Maws Lizar y Maws Terminal.


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Resultados En la evaluación de la cámara se realizaron dos pruebas a distintas condiciones, sin extracción forzada de aire y con extracción forzada de aire en la parte superior. Los moldes de yeso utilizados para las pruebas de secado fueron de 21,0x17,5x19,0 cm, los cuales se consideran de tamaño mediano. Los moldes se pesaron en seco, y posteriormente se humedecieron al 100%. La humectación al 100% se realizó sumergiéndolos en agua durante 24 horas una vez que su peso no aumentó de manera considerable. La prueba se inició pesando los moldes húmedos, los cuales se colocaron dentro de la cámara de secado y monitoreando la temperatura y la humedad relativa del aire. La medición y registro de variables meteorológicas también se inició al mismo tiempo que se colocaron los moldes húmedos en la cámara. Durante la prueba, los moldes fueron pesados dos veces al día, a las 12:00 y a las 18:00 horas, esto con el fin de conocer la masa de agua removida y para calcular su contenido de humedad en el tiempo.

En la Figura 5 se muestra la gráfica de la disminución del contenido de humedad de los moldes con respecto al tiempo a lo largo de cada prueba. En la gráfica se muestra que la prueba de secado con extracción forzada de aire presentó un decaimiento ligeramente mayor de la masa de agua removida comparada con la otra prueba. El secado a convección -

forzada tomo un tiempo de 5,0 días, mientras que la convección natural se requirió un tiempo de 5,5 días.

En las Tabla 1 se muestran los valores obtenidos de la constante de secado y el tiempo de secado, en la columna uno se muestra el número asignado a cada prueba, en la columna dos el tiempo de secado para obtener un producto totalmente seco, en la columna tres el tiempo en el cual se alcanzó el contenido de humedad requerido por los ceramistas y en la columna cuatro la constante de secado. La prueba de secado en la cual se implementó extracción forzada presentó un valor de la constante de secado de 0,054, mientras que el mismo valor para convección natural fue de 0,049.

Por otra parte en la Figura 6 se muestra una gráfica de la energía ganada en cada sección del sistema de secado, se presentan los resultados que se obtuvieron en la prueba del 2 al 11 de Octubre de 2008, denominada prueba 1. En la gráfica se muestra la energía captada por los colectores, la energía almacenada en el termotanque, la energía transferida del agua al aire por el intercambiador y finalmente la energía que se utilizó para remover el agua de los moldes. En la gráfica se muestra que la energía captada por los colectores varia de manera semejante a la radiación global durante la prueba, al igual que la energía almacenada en el termotanque, sin embargo, la

Fig. 4 Equipo experimental del sistema de secado de moldes de yeso.


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energía transferida en el intercambiador no depende considerablemente de la variación de la radiación global a lo largo de cada día. Lo anterior se debe a que la masa térmica contenida en el termotanque sirve como amortiguador de las variaciones del suministro de energía solar. El suministro de energía a la cámara presenta un comportamiento más estable a lo largo de la prueba comparada con el suministro energético en el intercambiador, esto permite que el secado de los moldes sea continuo a lo largo de la prueba sin importar las variaciones climáticas durante los días y las noches.

Tabla 1: Tiempo de secado y constante de secado de cada prueba.

En la Tabla 2 se presentan los valores de las eficiencias de cada sección del sistema, en la columna uno se muestra el número que identifica cada prueba, en la columna dos la eficiencia del sistema de colectores solares, en la columna tres la eficiencia del sistema de calentamiento de agua, en la columna cuatro la eficiencia del calentamiento de aire y en la columna cinco la eficiencia del sistema de secado completo. En general las eficiencias correspondientes de ambas pruebas presentaron variaciones poco considerables, la eficiencia del banco de colectores fue de 0,38 en promedio, la eficiencia del sistema de calentamiento solar (colectores-termotanque) fue de 0,31 en promedio, la eficiencia del calentamiento de aire en el intercambiador fue de 0,23 en promedio y la eficiencia de todo el sistema fue de 0,31 en promedio. Es de comentar que la eficiencia se redujo 0,07 al considerar sólo el campo de colectores o el sistema de calentamiento de agua; de igual manera, se redujo la eficiencia en 0,07 al considerar sólo el sistema de calentamiento de agua o el sistema de calentamiento de aire. Sin embargo, la eficiencia del sistema se incrementó 0,07, al considerar el sistema completo de remoción de humedad. El incremento se debió a que el aire que se calentó para remover la humedad de los moldes provenía del ambiente, que en cierta medida ya tenía capacidad para secar los moldes. Con lo anterior se observó que la metodología de evaluación permite

identificar el desempeño térmico de cada sección del sistema de secado, con el fin de detectar oportunidades para el mejoramiento del sistema de secado. En el sistema evaluado puede notarse que la sección que limita la eficiencia del sistema completo es el desempeño de los colectores solares que tan solo tuvieron un 0,38 de eficiencia promedio. Con lo anterior, con el fin de lograr un mejor desempeño del sistema de secado se propone, en una primera etapa, desarrollar estrategias para obtener un mejor funcionamiento térmico de los colectores solares, que en general su eficiencia puede estar por arriba de 0,50 [9].

Fig. 5 Historia de la cinética del secado.

Fig. 6 Energía en MJ de cada sección del sistema de secado en la

Prueba 1.

Pruebas Tiempo de

secado total (días)

Tiempo de secado

ceramistas (días)

k

1 9 5,5 0,0494 2 9 5,0 0,0528


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Tabla 2: Resultados de las eficiencias del sistema de secado para cada prueba.

Conclusiones 1. La metodología empleada en este trabajo permite

detectar oportunidades en cada sección del secador solar, en el sistema que se evaluó se observó que el desempeño de los colectores solares fue el que en mayor parte limito el desempeño del sistema completo de secado.

2. En el secador evaluado se observó que el uso de la energía solar en el proceso de secado puede realizarse de manera continua, sin que las variaciones de la energía solar a lo largo del día y la noche induzcan variaciones considerables en la energía utilizada para remover el exceso de humedad de los moldes.

3. En la evaluación del sistema de secado se obtuvo la

constante de secado y el tiempo de secado de moldes de yeso, la constante fue de 0,05 y el tiempo de secado fue 5,0 días para el contenido de humedad requerido por los Ceramistas.

4. Se observó que la eficiencia del sistema con convección forzada y convección natural son prácticamente igual, por lo que se recomienda no utilizar extractores de aire.

Referencias [1] Flores J. J., ”Secado de moldes de yeso para la industria de la

cerámica”, Informe Final Fomix 2004-C02-040, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Cuernavaca Morelos, 116 pp, 2007.

[2] Gbaha P., Andoh H. Y., Saraka J. K., Koua B. K, Touré S., ”Experimental investigation of a solar dryer with natural convective heat flow “, Renewable Energy, Vol. 32 , pp. 1817–1829, 2007.

[3] Leon M. A, Kumar S. and Bhattacharya S.C., “A comprehensive procedure for performance evaluation of solar food dryers”, Renewable Sustainable Energy Reviews, Vol. 6, pp. 367–393, 2002.

[4] Babalis S. J. and Belessiotis V.G., “Influence of the drying conditions on the drying constants and moisture diffusivity

during the thin-layer drying of figs”, Journal of Food Engineering, Vol. 65, pp. 449–458, 2004.

[5] Moropoulou A., et al., “Drying Kinetics of Some Building Materials”, Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol. 22 , pp. 203–208, 2005.

[6] Karoglou M., et al., “Drying Kinetics of Some Building Materials”, Drying Technology, Vol. 23, pp. 305–315, 2005.

[7] ANSI/ASHRAE 93-1986, Method of Testing to Determine the Thermal Performance of solar Collectors, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Atlanta, USA, 1993.

[8] Subcomité de Calentadores Solares; del comité Técnico de Normalización Nacional para Energía solar, NESO-13, Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C, NORMEX, Centro de Investigaciones de Energía, CIE-UNAM, Grupo Ovonics, Heliocol de México, IIC-Universidad de Guanajuato. PROY-NMX-001-NORMEX-2005, Energía solar-Rendimiento térmico y funcionalidad de colectores solares para calentamiento de agua- Métodos de prueba y etiquetado, Febrero, 2005.

[9] Macedo I. C. and Altemani C.A.C., “Experimental evaluation of natural convection solar air heaters”, Solar Energy , Vol. 20, pp. 367-369, 1978.

Currículo corto de los autores José Jassón Flores Prieto, Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad de Guanajuato en 1994. Obtuvo el grado de Maestría en Energía Solar en 1996 y el Doctorado en 2004 en la Universidad Nacional Autónoma de México.

Pruebas ncoll nSC nint n

1 0,39 0,32 0,24 0,31 2 0,36 0,31 0,23 0,32

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