Conservación solar: Deshidratación térmica de frutas con diseño CAD y policarbonato
por Mario Uriel Juárez Rosales ·
Conservación solar: Deshidratación térmica de frutas con diseño CAD y policarbonato
Un sistema de bajo costo diseñado para reducir las pérdidas post-cosecha en zonas rurales, empleando modelado 3D, análisis de trayectoria solar y materiales eficientes. Proyecto de la Facultad de Sistemas Biológicos e Innovación Tecnológica (FASBIT) · Tercer Semestre Energías Alternas
Recorrido del sol sobre el secador
Figura:Modelo 3D del secador solar
Tres números que lo resumen
Contadores
| Hasta 88.17 % | 3 mm | 6 cm |
|---|---|---|
| Reducción máxima de humedad (peso)] | Espesor ideal de las rodajas de fruta | Diámetro de ventilación pasiva modificado |
3 días de pruebas experimentales · 2 prototipos evaluados · Muestras de manzana, plátano macho y carambola
El problema y los principios termodinámicos
- El secado solar reduce el contenido de agua de los alimentos, inhibiendo el crecimiento de microorganismos y retrasando el deterioro químico y enzimático sin el uso de conservadores químicos.
- El proceso de deshidratación en este proyecto se basa en tres mecanismos físicos fundamentales:
- Transferencia de calor: Incrementa la temperatura del aire y de las muestras mediante la captación de radiación solar
- Transferencia de masa: Desplaza la humedad desde el interior del alimento hacia su superficie
- Circulación de aire: Facilita la eliminación del vapor de agua; el aire húmedo debe ser reemplazado constantemente por aire seco para evitar la saturación
Simulación y Diseño Asistido por Computadora (CAD)
Para maximizar la captación de radiación y evitar pérdidas de eficiencia por proyecciones de sombra, el proyecto integró herramientas de simulación computacional antes de realizar los cortes físicos de material.
Treyectoria solar
- Análisis del trayecto solar (SketchUp): Se configuraron las coordenadas precisas del municipio de San Francisco Ixhuatán, Oaxaca (Latitud: 16.3452150, Longitud: -94.4800480). Utilizando la herramienta Hide Shadows, se analizó la proyección de sombras en diferentes horarios para definir la orientación óptima del secador.
- Modelado paramétrico (SolidWorks): Se diseñó la estructura tridimensional estableciendo dimensiones finales de 72.0 x 43.5 x 14.5 cm.
- El software permitió modelar las charolas para garantizar una distribución uniforme del aire y evitar la superposición de las muestras, optimizando el uso de materiales antes de la fabricación.
Secador
Materiales Estratégicos
La selección de materiales priorizó la disponibilidad, el bajo costo y un alto desempeño térmico.
- Policarbonato hueco / celular: Elegido como material principal por su alta transmitancia a la radiación solar, su resistencia mecánica y su ligereza. Su estructura favorece el efecto invernadero en el interior del secador, incrementando la temperatura de manera pasiva.
- Uniones herméticas: Se utilizó el adhesivo especializado Sista F121 para asegurar uniones firmes en el policarbonato y minimizar fugas de aire no controladas.
- Tapaderas estructurales: Construidas con un marco de madera que proporciona rigidez y facilidad de montaje, con una placa central de policarbonato para mantener el cierre del sistema y evitar pérdidas de calor.
Prototipado y Evolución: El Reto de la Ventilación
Se construyeron dos variantes para evaluar empíricamente el impacto del flujo de aire en la eliminación de la humedad
Comparativa
- Prototipo 01 (Plataforma para automatización): Integró un ventilador de 11 cm de radio y un filtro de aire. Aunque la ventilación forzada no se activó durante estas pruebas, el diseño se estableció como una plataforma base para implementar a futuro un microcontrolador ESP32.
- Prototipo 02 (Evolución por convección pasiva): Operó con ventilación natural. Inicialmente contaba con orificios de 1 cm de diámetro, lo cual resultó en una deficiente evacuación del aire húmedo, dejando la fruta con alta humedad tras el primer día.
- La solución: El diseño fue modificado incorporando dos orificios de aproximadamente 6 cm de diámetro en lados opuestos y añadiendo una placa metálica pintada de color negro en el interior para aumentar la absorción de radiación. Esta modificación mejoró significativamente el flujo de aire y la textura seca de las frutas.
Metodología Experimental
- Duración: El proceso de evaluación experimental se llevó a cabo durante tres días consecutivos.
- Muestras: Se utilizó fruta fresca lavada y cortada en rodajas con un espesor constante de 3 mm para asegurar condiciones similares de secado.
- Variedad: Las pruebas iniciaron con manzana y posteriormente se incorporaron plátano macho y carambola.
Comparacion de secado
Resultados Cuantitativos y Análisis de Datos
La recolección de datos documentó tanto la reducción de masa como la intensidad de la energía captada, demostrando la alta correlación entre la radiación máxima y la efectividad del prototipo modificado].
Radiacion y Secado
1. Deshidratación Efectiva (Pérdida de Peso)
El monitoreo de las muestras evidenció diferencias críticas dependientes de la ventilación y la ubicación de las charolas].
- Desempeño Base (Charola 1): Las muestras presentaron una disminución de masa que osciló mayoritariamente entre el 57.41% y el 64.54%]. Se registró un único valor atípico de 21.98% en una de las rodajas (muestra 12), atribuible a su posición o variaciones de flujo].
- Desempeño Óptimo (Charola 2 - Prototipo Modificado): Con la inclusión de los orificios de 6 cm y la placa negra absorbente, la reducción de humedad fue drástica y altamente consistente. Las 15 muestras evaluadas superaron el 84% de pérdida de masa, promediando un ~87.3% y logrando un pico máximo de 88.17% de deshidratación].
2. Comportamiento de la Radiación Solar
El registro manual de irradiancia cada 30 minutos trazó una campana de Gauss perfecta a lo largo del ciclo diurno, validando las ventanas óptimas de operación del secador.
- Arranque matutino: La jornada de recolección comenzó a las 8:03 a.m. con lecturas cercanas a los 100 W/m², escalando rápidamente por encima de los 400 W/m² al acercarse las 10:00 a.m..
- Ventana de Máxima Eficiencia: Los picos máximos de radiación solar incidente se sostuvieron entre las 11:30 a.m. y la 1:30 p.m., superando regularmente la barrera de los 600 W/m². El valor absoluto más alto se registró a las 12:33 p.m. con ~630 W/m². Estos picos correspondieron directamente con los periodos de mayor avance físico en el secado de las rodajas.
- Descenso vespertino: Pasadas las 2:00 p.m., la radiación inició su curva descendente, cerrando el registro a las 3:03 p.m. con niveles estables alrededor de los 470 W/m².
3. Evaluación Cualitativa
Más allá de la pérdida de peso, las rodajas presentaron variaciones favorables en textura, color y flexibilidad. Se logró un secado uniforme que preservó las características organolépticas, eliminando la humedad que propicia el deterioro microbiano.
Galería de Datos y Evidencia Visual
Para respaldar los hallazgos experimentales, se integran las siguientes evidencias visuales recopiladas durante la investigación:
- Resumen Visual del Proyecto: Un compendio gráfico que exhibe el modelo CAD explosionado del secador, acompañado de la tabla de resultados de la Charola 2 (donde se destaca una reducción promedio de humedad del ~87%), una gráfica representativa de la radiación solar y la fotografía real de las rodajas de fruta ya deshidratadas sobre la malla interna.
- Tablas de Reducción de Peso: Se documentan a detalle las mediciones de peso inicial y final de las muestras]. Se observa el contraste directo entre la Charola 1 (con disminuciones entre el 57.41% y el 64.54%) y la Charola 2, la cual operó con la ventilación modificada y alcanzó reducciones consistentes superiores al 84% en todas sus muestras].
- Análisis Gráfico de Radiación: Se presentan tres gráficas referentes al registro de radiación solar medida en W/m². Dos gráficas de dispersión ilustran la curva ascendente y descendente para los días 01 y 02, mientras que una gráfica de barras desglosa temporalmente la radiación captada desde las 8:03 A.M. hasta las 3:03 P.M., evidenciando visualmente la ventana térmica óptima del mediodía.
Figura:Tabla de valores
Figura:Graficas
Conclusiones y Próximos Pasos (IoT)
El diseño y la ventilación demostraron ser los factores más críticos en el proceso de secado solar. Una ventilación insuficiente limita severamente la eliminación de humedad, pero al escalar el diámetro de los extractores (de 1 cm a 6 cm) y acoplar superficies metálicas absorbentes negras, el desempeño térmico del sistema pasivo se incrementa notablemente.
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Hacia un Sistema Ciberfísico Autónomo: Aunque los prototipos actuales operaron de manera pasiva y manual para validar la física del modelo CAD, el proyecto establece una base sólida para la transición tecnológica. La siguiente fase contempla la automatización del Prototipo 01 mediante un microcontrolador ESP32 y sensores de temperatura/humedad. Esta integración permitirá que la ventilación forzada reaccione en tiempo real a las condiciones internas, optimizando de forma autónoma el tiempo de secado y la calidad del alimento en entornos rurales
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