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Abstract—in this paper describes the control system of drying grain of mixed solar-gas dryer, which is semi-automatic control and designed to control the percentage of grain moisture content, but it is exposed to grain a drying air for a certain time, thus controlling the temperature of the drying air.

Keywords—Control, humedad, temperatura, GLP, sensor de temperatura, electroválvula, combustión.

I. INTRODUCCIÓN

Dentro del marco del proyecto SECGRAN, se propuso una

arquitectura híbrida solar – gas doméstico para una secadora de granos (ver Fig.1). En el equipo propuesto, el colector solar capta energía de la radiación solar, calienta el aire (reduce su humedad relativa), e, induce un movimiento natural de convección en el aire apoyado por un ventilador. El aire circula desde el colector solar hacia el quemador (a gas), en donde eleva su temperatura para mejorar sus propiedades desecantes. Luego, ingresa a la cámara de secado en donde entra en contacto con los granos, provocando la disminución de la humedad de los mismos.

Lograr un secado eficiente de granos implica mantener la

humedad final del producto uniforme a través de los cambios ambientales del día. La implementación de un sistema de control para vigilar el cumplimiento de la premisa planteada, permite garantizar la calidad del producto y disminuir los costos de operación. El sistema ha implementar se basará en el monitoreo y control de la temperatura del aire, del flujo de gas, y, de los niveles de humedad requeridos en los granos.

Este trabajo recoge los resultados obtenidos en el diseño del

sistema de control.

II. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

La implementación de sistemas de control (SC) surge de la

necesidad de garantizar el cumplimiento de los objetivos planteados en los diferentes procesos tecnológicos.

El objetivo fundamental de un SC es controlar las salidas de

alguna forma prescrita, mediante las entradas, a través de los elementos de control [1].

El control de sistemas puede ser manual, automático o

semiautomático. En los sistemas controlados automáticamente, la presencia humana es mínima y por lo general se limita a realizar monitoreo del estado del proceso. Existen sistemas en los que no es posible controlar automático el proceso en forma total, debido a limitaciones tecnológicas o económicas, por lo que parte del proceso debe ser realizado de forma manual o por otros medios, estableciéndose SC semiautomáticos.

Por cuanto el porcentaje de humedad del grano debe ser

reducido hasta niveles seguros para el almacenamiento, el objetivo de los SC en las secadoras es lograr controlar el porcentaje de humedad presente en el grano. La medición de la humedad es compleja por lo que el nivel de humedad se suele estimar de forma indirecta. Así, para controlar la humedad final del grano, este se somete a un flujo de aire caliente, con una temperatura adecuada, durante un tiempo específico. El control de la temperatura del aire y del tiempo, se convierten en los nuevos objetivos del SC.

De esta forma, para la secadora de granos diseñada, se

propone un SC de régimen semiautomático, cuyo algoritmo de funcionamiento se base en tres pasos:

• Determinación del porcentaje de humedad inicial del

grano • Determinación del tiempo de exposición del grano al

flujo de aire caliente (considerando una temperatura del aire definida en función del uso final del producto)

• Control automático de la temperatura del aire en la cámara y del tiempo de exposición.

Ximena Acaro#1, Carlos Castillo#1, Raphael Cueva#1, Jorge Jaramillo#2 #1Profesionales en formación de la EET, Universidad Técnica Particular de Loja

#2 Docente de EET, Universidad Técnica Particular de Loja Loja-Ecuador

1cxacaro@utpl.edu.ec, 1cjcastillo@utpl.edu.ec, 1lrcueva@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Secadora de granos mixta solar-gas: Sistema de control de la temperatura en la cámara de secado

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III. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE HUMEDAD INICIAL DEL GRANO

Para determinar el nivel de humedad se han desarrollado varios métodos de medición con distintos niveles de error y con diferentes aplicaciones. Algunos de estos métodos obtienen el valor del contenido de humedad de manera absoluta y otros se basan en el uso de tablas o curvas de calibración generadas por comparaciones contra métodos primarios de laboratorio [2]. La tabla 1 resume los más comunes de acuerdo al principio de operación.

TABLA 1 MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CONTENIDO DE

HUMEDAD

De los métodos descritos, el método de gravimetría es el método más simple y de mayor uso entre los pequeños agricultores. Se basa en un método analítico cuantitativo para determinar la cantidad de una sustancia midiendo su peso: la comparación entre el peso de la materia húmeda y el peso de una muestra de materia seca de referencia (1).

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑃𝑃 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑃𝑃𝑑𝑑𝑃𝑃𝑑𝑑 =100.𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑃𝑃𝑑𝑑 𝑔𝑔𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑃𝑃𝑑𝑑 𝑔𝑔𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑃𝑃𝑑𝑑𝑃𝑃 (1)

IV. DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE EXPOSICIÓN DEL GRANO AL AIRE DE SECADO

Este parámetro contribuye en el control indirecto de la

humedad final del grano. Se define como el tiempo durante el cual el grano es expuesto a un flujo de aire caliente que extrae la humedad. El valor numérico de este parámetro depende de las características del grano al ingresar en la secadora.

Considerando el flujo de aire constante y la temperatura

recomendada para el secado de los diferentes granos, podemos encontrar el poder de evaporización del aire de secado. Las temperaturas recomendadas de secado y la determinación del poder de evaporización del aire de secado, utilizando la carta psicométrica, se han explicado en trabajos anteriores.

Conocido el poder de evaporización del aire, se determina la

taza de evaporización de agua (2) [3].

∆𝑥𝑥 = 𝑢𝑢𝐴𝐴𝑃𝑃𝑊𝑊 (2) En dónde:

∆x Tasa de evaporización, gH2O /s mAs Masa de aire de secado, Kg/s W Poder de evaporizacion, gH2O /KgAs

Así, el tiempo de exposición del grano al flujo de aire de

secado se define por la expresión (3):

𝑃𝑃 =𝑀𝑀ℎ −𝑀𝑀𝐻𝐻2𝑂𝑂

∆𝑥𝑥�𝐻𝐻𝑃𝑃 − 𝐻𝐻𝑓𝑓

100� (3)

En donde:

t Tiempo de secado, s ∆x Tasa de evaporización, Kg/s Mh Masa de grano humedo, Kg

MH2O Masa de agua a evaporar, Kg Ho Humedad inicial del grano, % Hf Humedad final del grano, %

El tiempo de exposición controlará el periodo de

funcionamiento del SC de temperatura.

V. CONTROL AUTOMÁTICO DE LA TEMPERATURA DEL AIRE DE SECADO EN LA CÁMARA

Esta fase del SC será automático y tendrá como objetivo el

controlar la temperatura en la cámara de secado.

El diseño del SC siguió un procedimiento bien definido: se identificó las variables que intervienen, se formalizaron los límites formales del modelo a través de la formulación de supuestos, se eligió la instrumentación necesaria para el sistema; se obtuvo las ecuaciones de equilibrio y las funciones de transferencia; por último, se construyó la función general de transferencia.

A. Identificación de variables

En base al análisis del esquema funcional del proceso de secado de granos (Ver Fig.1), se identificó las variables que intervienen en el proceso de secado de granos, tal como se muestra en la Tabla 2.

Una vez establecidos la temperatura de secado y el tiempo de

exposición, el operador establece la señal de consigna (temperatura de secado). En la cámara de secado, la señal de consigna deberá producir el calentamiento del aire hasta una temperatura tal que coincida con el valor requerido. El SC debe mantener la temperatura del aire de secado igual a la temperatura de consigna. Para lograrlo, el SC debe regular el flujo de GLP a través de una electroválvula, hacia un quemador.

Método Principio de operación

Gravimetría Pérdida de masa por secado

Microondas Absorción de microondas

Resistividad Cambio de resistencia eléctrica

Capacitancia Cambio de la constante dieléctrica

Coulometría (Karl-Fisher) Reacción química selectiva con el agua

Espectroscopia infrarroja Absorción de radiación infrarroja

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Fig.1. Bloques funcionales de sistema de control de temperatura en la

cámara de secado

TABLA 2 VARIABLES DEL SISTEMA

Variable Símbolo Unidades

Temperatura de consigna Tcg(t) Grados centígrados

Voltaje para activación de electroválvula V(t) Voltios

Flujo de gas φ(t) Kg/s

Temperatura de combustión Tcomb(t) Grados centígrados

Temperatura de entrada Tin(t) Grados centígrados

Temperatura de salida Tout(t) Grados centígrados

Temperatura de sensor de retroalimentación Tout(t) Grados

centígrados Voltaje de salida del sensor Vs(t) Voltios

B. Suposiciones del modelo

Las suposiciones (limitaciones teóricas) en las que el modelo matemático es válido, facilitan su obtención y lo simplifican. Para el caso de estudio, se definieron 5 suposiciones:

• El flujo de aire caliente, a la entrada de la cámara de secado, es constante.

• La temperatura del aire a la salida del quemador es igual a la temperatura del aire a la entrada de la cámara de secado.

• El volumen de aire de combustión es el necesario para el ingreso en la cámara de secado.

• La distribución del aire caliente en la cámara de secado es uniforme.

• El comportamiento del sensor de temperatura es lineal.

C. Instrumentación

Desde el punto de vista instrumental, se han considerado la instalación de dos sensores de temperatura (ver Fig.2). El primero registra la temperatura del aire a la entrada de la cámara (el aire ha sido precalentado en el colector solar). El segundo sensor mide la temperatura en el interior de la cámara de secado La señal de este segundo sensor se convierte en la retroalimentación negativa del sistema. El valor diferencial

resultante regulará la apertura de la electroválvula, regulando así el flujo de gas hacia el quemador.

Fig 2. Componentes del sistema de control de temperatura en la cámara de secado

D. Ecuaciones de equilibrio

Para el sensor de temperatura, la ecuación de equilibrio esta dada por la expresión (4).

𝑉𝑉𝑃𝑃(𝑃𝑃) = 𝐾𝐾𝑃𝑃 .𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) (4) En dónde:

Vs(𝑃𝑃) Voltaje de salida del sensor, V Ks (𝑃𝑃) Ganancia del sensor de temperatura, Adim.

Tout (𝑃𝑃) Temperatura de salida,℃

La función de transferencia del sensor de temperatura esta expresada a través de (5).

𝑊𝑊𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝐾𝐾𝑃𝑃 (5)

La función de transferencia de la electroválvula está definida

por la expresión (6).

𝑊𝑊𝐸𝐸(𝑃𝑃) =𝐾𝐾𝑃𝑃

1 + 𝑇𝑇𝑃𝑃 (6)

En dónde:

Ks Coeficiente de flujo en electroválvula, Adim. T Tiempo de respuesta de electroválvula, s

4

La función de transferencia del bloque de combustión está definida por la expresión (7).

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑢𝑢𝑐𝑐 (𝑃𝑃) =𝐾𝐾𝑃𝑃 .𝜑𝜑(𝑃𝑃)

𝐾𝐾𝑢𝑢𝐴𝐴𝑃𝑃 .𝐾𝐾𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑃𝑃+ 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 (𝑃𝑃) (7)

En dónde:

Tcomb Temperatura de combustión

Tin Temperatura de ingreso Kc Poder calorífico del GLP φ Flujo necesario de gas

KmAs Masa del aire de secado 𝐾𝐾𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑃𝑃 Calor específico del aire

Fig.3 Diagrama de funciones de transferencia del sistema de control de la

temperatura en la cámara

La figura 3 muestra el diagrama de funciones de transferencia del SC de temperatura en la cámara. La función total de transferencia del SC (8) se obtiene como:

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑢𝑢𝑐𝑐

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝜑𝜑(𝑃𝑃)𝐾𝐾𝑃𝑃

𝐾𝐾𝑢𝑢𝐴𝐴𝑃𝑃 𝐾𝐾𝐶𝐶𝑝𝑝𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑃𝑃

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝑣𝑣(𝑃𝑃)𝐾𝐾𝑃𝑃

1 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝐾𝐾𝑃𝑃

𝐾𝐾𝑢𝑢𝐴𝐴𝑃𝑃 𝐾𝐾𝐶𝐶𝑝𝑝𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑃𝑃

𝐴𝐴 =𝐾𝐾𝑃𝑃

1 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝐾𝐾𝑃𝑃

𝐾𝐾𝑢𝑢𝐴𝐴𝑃𝑃 𝐾𝐾𝐶𝐶𝑝𝑝𝑃𝑃𝑝𝑝𝑃𝑃𝑃𝑃

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + �𝑇𝑇𝑃𝑃𝑔𝑔 − 𝑉𝑉𝑃𝑃(𝑃𝑃)�𝐴𝐴

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + �𝑇𝑇𝑃𝑃𝑔𝑔 − 𝐾𝐾𝑃𝑃𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃)�𝐴𝐴

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑔𝑔𝐴𝐴 − 𝐾𝐾𝑃𝑃𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃)𝐴𝐴

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑢𝑢𝑃𝑃 (𝑃𝑃)[1 + 𝐾𝐾𝑃𝑃𝐴𝐴] = 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑔𝑔𝐴𝐴

𝐻𝐻(𝑃𝑃) =𝑇𝑇𝑝𝑝𝑃𝑃 + 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑔𝑔𝐴𝐴

1 + 𝐾𝐾𝑃𝑃𝐴𝐴 (8)

La función de transferencia total obtenida podrá ser utilizada en procesos de simulación y optimización del sistema.

VI. CONCLUSIONES

• La humedad es una de las variables que para su medición requiere de métodos complejos, existiendo varias técnicas para su medición, siendo la más simple la técnica de gravimetría.

• Para la secadora mixta solar-gas, el control del porcentaje de humedad presente en el grano se realiza controlando la temperatura del aire de secado durante un tiempo estimado de secado.

• La temperatura de consigna debe ser seleccionada de acuerdo al tipo de grano y al uso que se le dé en lo posterior al secado.

• En el control de temperatura los componentes que intervienen son el sensor de temperatura para retroalimentar constantemente al sistema de control, la electroválvula que alimenta de GLP al quemador. Esta electroválvula regulara el flujo de combustible, generando así en el quemador mayor o menor Kilocalorías por unidad de tiempo.

VII. REFERENCIAS [1] B. Kuo, “Sistemas de Control Automático”, 7ma ed, Ed. Pearson

Prentice Hall, México, 2007 [2] E. Martínez, “Evaluación de un medidor de contenido de

humedad engranos basado en el principio de capacitancia eléctrica”, México, 2006, en línea<http://www.cenam.mx/memsimp06/Trabajos%20Aceptados%20para%20CD/Octubre%2025/Bloque%20A/A5-Propiedades%20Termofisicas%20y%20Humedad/A5-2.pdf>, [Consulta: 11 de octubre 2010]

[3] ASHRAE, “ASHRAE Aplications Handbook SI 1999”, Ed. ASHRAE, Atlanta, 2000