Desarrollo de un sistema de secado de productos agrícolas con recuperación de calor de los gases de escape de un electrogenerador diesel usando intercambiadores de calor con cambio de fase

Abstract

Un sistema de cogeneración para el secado de hierbabuena basado en una planta diésel fue evaluado experimental y matemáticamente en este trabajo. En este sistema, la potencia generada por la planta diésel, fue disipada a un banco de resistencias eléctricas de 12 kW, mientras que el calor residual proveniente de los gases de escape del motor fue aprovechado para calentar un flujo de aire en un intercambiador de calor con tubos de cambio de fase, el aire se forzó a pasar a través del intercambiador de calor mediante el uso de un ventilador centrifugo, el aire circulaba a contraflujo en el intercambiador de calor, éste no se mezcló con los gases de escape. El intercambiador de calor constaba de 50 tubos, distribuidos de manera escalonada en 30 filas. El aire calentado fue usado en una cámara de secado por convección compuesta por 3 bandejas, para la operación de secado se emplearon 1500 gramos de hierbabuena con un contenido de humedad inicial equivalente a 78%. Durante 70 minutos se realizó una prueba inicial, cada 10 minutos se registraron las mediciones de las temperaturas de los gases de escape y el aire de secado a la entrada y salida del intercambiador de calor. La variación del peso de la hierbabuena en cada una de las bandejas se determinó con igual frecuencia. Una réplica de la prueba anterior fue realizada bajos las mismas condiciones de operación del sistema. Para una temperatura de secado promedio equivalente a 71,56°𝐶, el contenido de humedad alcanzado en las bandejas 1,2 y 3 al final de prueba inicial fue 15,99%, 20,95 %, 16,63 % en las bandejas 1, 2 y 3 respectivamente. En la repetición realizada y a una temperatura de secado de 72,20°𝐶, el contenido de humedad al finalizar la operación fue 14,02 %, 19,10 %,13,35 % para las bandejas 1, 2 y 3 respectivamente. La eficiencia de secado en la prueba inicial fue 20,91 % y 20,72 % para la repetición realizada. La eficiencia energética global del sistema desarrollado fue 24,83 % y 24,44 % para prueba inicial y la repetición respectivamente, mientras que las mismas eficiencias para el motor con solo generación fueron 23,56 % y 24,13 %. La efectividad en la recuperación de calor fue 31,64% para la prueba inicial, mientras que para la réplica fue 31,12%. Mediante un modelo matemático se predijo la tasa de transferencia de calor desde los gases de escape hacia el aire de secado, la efectividad del intercambiador de calor, la temperatura del aire de secado y los gases de escape a la salida del intercambiador de calor. La efectividad del intercambiador cuando la configuración era escalonada, se calculó manera experimental y matemáticamente mediante el uso del modelo desarrollado. Este modelo permite evaluar el intercambiador de calor para una disposición de los tubos escalonada y alineada. Cuando la configuración era escalonada, la efectividad predicha por el modelo fue 5,52% mayor que la efectividad predicha para la configuración alineada para la misma cantidad de tubos, la temperatura predicha para el aire de secado también fue 5,42°𝐶 mayor para configuración escalonada comparada con la configuración alineada