UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRÍGUEZ DE MENDOZA DE AMAZONAS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
PROYECTO DE TESIS
“DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE UN SECADOR SOLAR PARA GRANOS DE CAFÉ ARÁBIGA EN EL DISTRITO DE LONYA GRANDE- UTCUBAMBA-AMAZONAS”
AUTOR: Lili Guevara Fernández
ASESOR DE TESIS: Dr. Juan Manuel Garay Román
Chachapoyas – Perú 2017
I.
GENERALIDADES
1.1 TÍTULO Diseño, construcción y operación de un secador solar para granos de café arábiga en el distrito de Lonya Grande- Utcubamba-Amazonas.
1.2 PERSONAL INVESTIGADOR 1.2.1
Autor: Nombre y apellidos: Lili Medalith Guevara Fernández Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza. Código: 061015A112 Escuela profesional: Ingeniería Ambiental. Teléfono: 935904318 Correo electrónico:
[email protected]
1.2.2
Asesor: Nombre y apellidos: Dr. Juan Manuel Garay Román Grado Académico:
Doctor en Ingeniería Química Ambiental
Categoría: Profesor Principal nombrado Título Profesional: Ingeniero Químico Correo electrónico:
[email protected] 1.3 TIPO DE INVESTIGACIÓN 1.3.1
De acuerdo a la orientación:
Aplicada
1.3.2
De acuerdo a la técnica de contrastación:
Explicativa
1.4 RÉGIMEN DE LA INVESTIGACIÓN Línea: Cambio climático Sub Línea: 2
Adaptación de las especies alimenticias
1.5 UNIDAD E INSTITUCIÓN A LA QUE PERTENECE EL PROYECTO 1.5.1
Unidad: Departamento Académico: Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental. Escuela Profesional: Ingeniería Ambiental.
1.5.2
Institución: Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas.
1.6 LOCALIDAD E INSTITUCIÓN DONDE SE EJECUTARÁ EL PROYECTO 1.6.1
1.6.2
Localidad: Distrito:
Lonya Grande
Provincia:
Utcubamba.
Región:
Amazonas.
Institución:
Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas. 1.7 CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN DEL TRABAJO
Actividades Recolección de datos Análisis de datos Elaboración de informe
Fecha de inicio Enero 2017 Febrero 2017 Abril 2017
Fecha de término Enero 2017 Marzo 2017 Abril 2017
Duración del proyecto: 4 meses 1.8 HORAS SEMANALES DEDICADAS AL PROYECTO Investigador:
24 horas semanales
Asesor:
04 horas semanales
Total de horas semanales:
28 horas semanales
1.9 RECURSOS DISPONIBLES
3
1.9.1 PERSONAL Tesista: Lili Medalith Guevara Fernández Asesor: Dr. Juan Manuel Garay Román I.9.2
BIENES DISPONIBLES
-
Biblioteca de la UNTRM-A: Libros, revista, tesis, investigaciones.
-
Laboratorio meteorológico del instituto del INDES-CES de la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza.
-
Laboratorio de Química y Agroindustria de la UNTRM-A.
-
Estufa para operar hasta 105 ºC.
-
Vasos de precipitación 1000 ml.
-
Balanza triple brazo 0 – 2 kg.
-
Balanza analítica aprox. 0,0001 gr.
-
Café pergamino.
-
Mechero Bunssen.
-
Termómetro o sensor de temperatura para compensación automática.
-
Cañas de bambú.
-
Listones de madera.
-
Alambre de amarre
-
Desecador conteniendo un desecante con indicador coloreado de humedad.
-
Laptop Lenovo i5.
-
Calculadora científica.
-
Plumones pilot.
-
Lápiz 2B.
-
Lapiceros.
-
Resaltador.
I.10 RECURSOS NO DISPONIBLES Servicio de consultoría: Estadístico. Viáticos y Asignaciones: Movilidad de tesista y asesor. Ventilador centrifugo 0,5 HP. Laminas PVC transparente. 4
Tuberías PVC de 2” Calamina plástica 1,20 x 2,20 m. USB 6 GB Papel bond A4 Libreta de notas Cámara fotográfica Servicio digitación Servicio impresión Servicio fotocopias Servicio empastados
I.11 PRESUPUESTO 1.11.1 RECURSOS DISPONIBLES
Clasificador
Partida/ Materiales
Unidad
Cantidad
Costo (S/.)
Sub Total
Materiales logísticos Estufa operación + 105 ºC. Vasos precipitación 1000 ml. Balanza triple brazo 0 – 2 kg Balanza analítica 0,0001 gr. Café pergamino Mechero Bunssen. Termómetro Cañas de bambús Listones de madera Alambre de amarre Desecador Laptop Lenovo i5 Calculadora científica. Plumones pilot Lápiz 2B Lapiceros Resaltador Sub total
1 1 1 1 Qt 1 1 1 1 Kg. 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 5 1 1 24 24 6 1 1 1 3 3 6 3
700 100 850 1500 2000 500 150 240 120 30 600 850 200 15 3 6 3
700 100 850 1500 2000 500 150 240 120 30 600 850 200 15 3 6 3 7867
5
I.11.2 RECURSOS NO DISPONIBLES
Clasificador
Partida/ Materiales
Servicios Consultoria estadística Digitación informe Impresión informe Empastado informe Fotocopiado Viáticos y Asignaciones Movilidad de tesista y asesor Bienes y materiales Ventilador centrifugo 0,5 HP. Laminas PVC transparente. Tuberías PVC de 2” Calamina plástica 1,20x2,20 m. USB 6 GB Papel bond A4 Libreta de notas Cámara fotográfica Sub total
Unidad
Cantidad
Costo (S/.)
1 1 1 1 1
1 250 250 6 1500
1500 250 125 180 150
1500 250 125 180 150
1
4
150
600
1 m 1 1
1 24 6 12
650 360 72 240
650 360 72 240
1 millar 1 1
1 3 1 1
20 45 10 150
20 45 10 150 4352
Sub Total
I.12 FUENTE DE FINANCIAMIENTO Los recursos disponibles serán aportados por la Universidad y que hacen un costo sub total de S/. 7867 y los recursos no disponibles hacen un sub total de S/. 4352, el mismo que será autofinanciado por la tesista investigadora.
6
I.13 RESUMEN DEL PROYECTO La investigación que se ha propuesto realizar tiene un enfoque ambientalista, por cuanto con su ejecución se hará uso de un recurso energético renovable como lo es la radiación solar. La aplicación que tiene éste recurso natural ha sido estudiado y utilizado en diferentes usos, como paneles solares, termas eléctricas y como el propuesto en ésta investigación: Secador solar. La idea del proyecto aborda la necesidad de atender una problemática de agricultores dedicados al cultivo de café en el distrito de Lonya Grande, en épocas de cosecha entre Mayo y Julio, existe dificultad de secar sus granos de café; pues, el grano de café despulpado requiere un mínimo de 4 días de sol, lo que no es posible por el tiempo y por el extenso área requerido para secar la cosecha de café. Esta circunstancia trae una merma en la calidad del grano de café, pues de manera espontánea ocurren reacciones lentas de fermentación afectando su color y aroma del grano; generando una baja en el precio de venta de café. Una práctica habitual es trasladar el café hasta una secadora de café industrial que opera con resistencias eléctricas, coadyuvando indirectamente al cambio climático; al margen de los gastos de traslado y por el servicio de secado. Ante ésta coyuntura se ha propuesto el presente proyecto de investigación que soluciona ecológicamente el problema al concentrar la absorción de radiación solar a través de un cuerpo negro, denominado colector solar, el cual conectado a un ventilador lograr secar las bandejas conteniendo café pergamino húmedo dentro de la cámara de secado. El diseño propuesto para la construcción de café pergamino permitirá secar aproximadamente 5 quintales de café despulpado recién lavado. Para lograr éste objetivo, la cámara de secado contendrá en su interior un grupo apilado de tres bandejas con dimensiones aproximadas de 3,5 m de largo, 1,0 m. de ancho y una altura de 10 cm. se mantendrá una separación de altura entre ellas de 60 cm. distancia de separación que permite al operario realizar el proceso de mezclado cada 4 horas. Al finalizar la ejecución del proyecto, el secador solar construido será entregado a la comunidad del caserío Ortiz Arrieta para que sus productores puedan beneficiarse anualmente con un equipo que ayuda a reducir el impacto al medio ambiente. 7
II.
PLAN DE INVESTIGACIÓN
2.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA La problemática que se vive durante las épocas de cosecha en el distrito de Lonya Grande, es muy similar a la que se vive en todas las comunidades que se dedican al cultivo de café. Y ante el evidente cambio climático, las temporadas de lluvias o sequias son más extensas, con la consecuente llegadas de nuevas enfermedades y plagas para el grano de café, lo que finalmente va en desmedro de la productividad de los productores cafetaleros. Actualmente, el mercado financiero mantiene al café muy por debajo de los precios de hace un lustro que alcanzó los S/. 800.00 nuevos soles por cada quintal, durante el pasado año se hizo genérico el pago de S/. 400.00 nuevos soles por cada quintal. Normalmente, la problemática para los cafetaleros en general y muy concretamente del distrito de Lonya Grande, se presenta en la temporada de cosecha de café, la misma que se produce durante los meses de Mayo a Julio de cada año, temporada que se conoce como época de invierno, que se caracteriza por grandes lluvias, que no permiten secar correctamente a los granos de café. Ante ésta imposibilidad natural originada por la misma naturaleza, solo quedan dos caminos para el típico cafetalero: Una es dejar acopiado el café cosechado en forma de rumas o guardados en pisos denominados terrados que en el fondo no soluciona el problema sino que genera colores y sabores indeseables en el grano final de café. Y de otra parte, es trasladar su café a instituciones que secan el café por el sobre cargo económico en cada quintal de café secado. Ante ésta última alternativa, se ocasiona una merma en el ingreso económico de cada productor de café y en segundo lugar, se contribuye al cambio climático por cuanto estas secadoras utilizan resistencias de electricidad sumando una nueva modalidad antropogénica al calentamiento global. Una propuesta técnica para remediar ésta problemática es recurrir a la construcción de un secador solar en el distrito de Lonya Grande, que pueda ofrecer el servicio del secado de café, sin la necesidad de recurrir a secadores eléctricos u otro tipo de unidades industriales que directa o indirectamente puedan contribuir al impacto del cambio 8
climático.
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo será el diseño, construcción y operación de un secador solar para granos de café arábigo en el distrito de Lonya Grande- Amazonas? 2.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA En los últimos años, las familias de la zona nor oriental como Utcubamba, Bagua, Jaén, San Ignacio, entre otras provincias; y dedicadas a labores agrícolas han incrementado las áreas de cultivo con el grano de café, lo que ha conllevado a Cajamarca y Amazonas ser grandes proveedores de café para la costa peruana. Las estadísticas del sector productor de café, para el año 2002 registraron 108,572 productores, 117,725 fincas y 316,784 hectáreas sembradas de café, de forma que el café ha sido uno de los cultivos de mayor extensión e importancia económica no solamente de nuestra región sino del país. La presente investigación obedece a la necesidad de mermar dos impactos negativos para el productor de café, en primer lugar se evitará una nueva caída en los ingresos del caficultor hasta los centros tecnológicos de café y en segundo lugar se evitará contribuir al calentamiento del planeta al poner en marcha un secador con energía eléctrica. En éste último punto la idea es recurrir al uso de energía renovable como la energía solar, que en otras experiencias tiene un altísimo grado de eficiencia en el secado de café pergamino. Los beneficiarios del proyecto en investigación serán los productores que moran en el distrito de Lonya Grande y de aquel cafetalero que desee implementarlo en su propia finca, siguiendo las recomendaciones de la autora de éste trabajo. De forma que el secador solar pueda ser masificado al comprobar los resultados positivos de su uso. La ejecución del proyecto será ejecutado de forma ecológica; es decir, los materiales que conforman la estructura del secador de café serán acopiados de la misma fuente natural; esto es, por ejemplo para las camas serán diseñadas de tres pisos utilizando para ello al bambú, producto que es producido en la zona del trabajo de investigación; para la cámara de secado se utilizarán estructuras de una especie forestal de la misma zona denominada 9
Catahua; y el personal responsable del secado de café serán los mismos productores previa capacitación básica sobre el uso y aplicación de un secador solar. El contexto geográfico está referido a la provincia de Utcubamba, exactamente a los cafetaleros de la zona Nor-Oeste de la provincia, como son los caficultores de Lonya Grande que tienen como medio de vida el cultivo de café y cacao. Y más exactamente, se tiene contemplado presentar el secador solar a las asociaciones cafeteras para su divulgación y empleo masivo. Su uso traerá como aporte inmediato el uso de tecnología basadas en el uso de las energías renovables. Es decir, su ejecución tendría un impacto positivo dentro de la industria agrícola, que hoy por hoy es una industria no solamente contaminante sino contribuidora del cambio climático; además de lo importante que es recurrir a una energía limpia que se encuentra disponible al alcance de todos, que de otra parte permitirá un mejor manejo económico de los productores de café. El uso de ésta tecnología puede ser transferida y está basada en el uso adecuado de la radiación solar y que por más tenue que sea, siempre va a existir una frecuencia y longitud de onda que puede ser imperceptible para los sentidos humanos, más en el tiempo el resultado será la transferencia de radiación a un producto que necesita eliminar humedad poco a poco. 2.4 ANTECEDENTES (Costa, Ferreira, 2007). Desarrollaron un modelo matemático simplificado sobre el proceso de secado para futos tropicales como café, bananos, entre otros. para ello diseñaron la construcción de un secador solar tomando estricto control en la adquisición de datos y el control de temperatura del secador, y la aplicación de la ecuación de transferencia de materia, obteniéndose la difusividad de la humedad en los frutos. Concluyen afirmando que el sistema que utiliza energía renovable entrega información para calcular la cantidad de agua evaporada del alimento para una determinada temperatura promedio del secador solar, la potencia y el tiempo necesarios para el secado. (Ciro Vásquez et al., 2011). Construyeron un secador de lecho fijo,el mismo que fue adaptado para trabajar de forma simultánea con intermitencia térmica y flujo de aire pulsado sin inversión de flujo de aire, en el secado de granos de café. El secador fue operado con ciclos de intermitencia térmica a una temperatura de calentamiento de 55 °C y enfriamiento de 40 y 25 °C. Los resultados mostraron que el aumento de temperatura en el ciclo de enfriamiento, tiende a incrementar la remoción de agua y que el aumento del 10
número de pulsos de aire sin inversión del flujo de dirección del aire, ocasiona un secado deficiente debido al excesivo gradiente de humedad ocasionado en la capa de producto. Adicionalmente, se encontró que el consumo de energía específica del secador varió entre (Torres et al., 2013). Describieron y calcularon los coeficientes locales de transferencia de calor, a través de los distintos materiales que componen el secador, así como caracterizaron las pérdidas globales del equipo. El trabajo de investigación describe valores didácticos que sirven de guía para describir desde el punto de vista térmico instalaciones solares similares. (Espinoza, 2016). Describe innovaciones orientadas al deshidratado de productos que funcionen en base a la circulación de aire caliente solar que previamente hayan circulado por cámara que hacen las veces de paredes para enviar este aire al interior donde se ubica el producto a deshidratar. Su trabajo consistió en implementar un "techo solar activo" que modifica la cubierta de área industrial incorporándole un doble techo de policarbonato logrando con ello precalentar el aire con energía solar, disminuyendo entre 50 a 100 % el uso de gas utilizado en este proceso. Recientes desarrollos muestran deshidratadores solares para producción menor a 1000 kg diarios mediante un panel solar. (/Koulibaly, González, 2015). Desarrollaron la modelación de un colector solar plano para calentamiento de aire operado con convección natural. Analizaron el colector mediante balances de masa y energía no estacionarios aplicados a cada uno de los elementos componentes del colector permitiendo desarrollar un programa en Visual Basic que simulaba el comportamiento dinámico del colector ante variaciones de las condiciones de operación y variaciones de los parámetros de diseño (dimensiones del colector, tipo de material de cubierta y dimensiones, material de la placa absorbedora y sus dimensiones, eficiencia óptica y tipo y espesor de aislamiento). Los resultados mostraron que el software podía empleado para el diseño de colectores para calentamiento de aire, además de poder ser empleado para obtener las temperaturas de cada componente del colector y el rendimiento térmico instantáneo. (Osorio et al., 2016). Desarrollaron una investigación sobre la post cosecha del café, para ello simularon un ambiente interno con la ayuda de un secador parabólico, analizando específicamente el efecto de la ventilación natural sobre la temperatura y la humedad relativa. Demostraron que la planta de procesamiento de café ventilado y el secador solar con la mayor área de ventilación natural mostraron los mejores resultados para preservar la calidad del grano de café. 11
2.5 BASE TEÓRICA 2.5.1 GRANO DE CAFÉ Un producto sostenible se define de la siguiente forma: “un producto es sostenible cuando es producido de manera tal, que no compromete la capacidad de las futuras generaciones de producir ese mismo producto”. En la actualidad, los comerciantes usan certificadores independientes que avalan estos productos. Nuestro país, cuenta con 85 mil hectáreas certificadas de cafés especiales, con una producción estimada de 55,200 TM, de las cuales unas 41,400 TM se vendieron en el 2006. Dentro de esta extensión están comprendidas las 75 mil hectáreas de café orgánico, cuya certificación a cargo de empresas acreditadas internacionalmente es obligatoria. El mercado de café sostenible está constituido por dos tipos específicos de café, el café del comercio justo y el café orgánico. Café de comercio justo A diferencia del mercado orgánico, el comercio justo no exige la certificación orgánica del producto, sino que considera la condición social de los productores, por lo que es una certificación social. El comercio justo busca opciones a las estructuras o normas del mercado internacional, a la vez que mejorar las condiciones económicas y sociales del pequeño productor, a través del acceso directo al mercado en condiciones comerciales más favorables. El café peruano cultivado bajo estándares de comercio justo (CJ) por productores organizados en cooperativas, situadas en zonas de pobreza y extrema pobreza de nuestro país, lidera las preferencias en el mercado norteamericano, al colocar en el año 2006 aproximadamente 7,452 TM, equivalentes al 25% de las 29,762 TM adquiridas por este mercado, en 24 países de África, Asia y América Latina. Estas ventas significaron 21 millones 415 mil dólares. El liderazgo de Perú en este nicho de mercado viene desde 2004, desplazando a México que durante muchos años lideró el mercado mundial de CJ. Nuestras exportaciones se incrementaron en 10 veces en los últimos 5 años, al pasar de 708 TM 12
en el 2002, hasta 7,452 TM en el 2006. Este tipo de café peruano registró un precio promedio de 2,87 dólares el kilogramo, superior en 32% al promedio nacional exportado el pasado año. Café orgánico Éste grano es producido bajo un sistema integral de gestión de la producción que fomenta y mejora la salud del agro sistema, y en particular la biodiversidad, los ciclos biológicos y la actividad biológica del suelo. Los sistemas de producción orgánica se basan en normas de producción específicas y precisas cuya finalidad es lograr agro sistemas óptimos que sean sostenibles desde el punto de vista social, ecológico y económico. El café orgánico es aquel que tiene una forma de cultivo que recurre a diversas tecnologías de abono, control de malezas y plagas, sin utilizar algún fertilizante, herbicida, insecticida o nematicida de origen químico. El café orgánico tiene un mercado muy definido, el que está bien regulado y para que clasifique como tal, debe ser certificado por alguna Agencia Certificadora de Café Orgánico, de las que existen en los Estados Unidos y Europa. Debe cultivarse bajo este sistema desde tres años antes de que se pueda vender como café orgánico. Los precios que pagan por este tipo de café son superiores al del café convencional; sin embargo, las normas de calidad siguen teniendo gran importancia al comercializar este tipo de café y son determinadas por las características agro climáticas en que se produce al igual que para el café corriente. El grano de café presenta diversidad variedades para su cultivo. Variedad arábiga La variedad arábiga (Coffea arabiga) tiene un contenido en cafeína menor que en la variedad robusta. Se cultiva principalmente en Colombia, Centroamérica y Brasil. Es la especie cultivada más abundante. Variedad robusta La variedad robusta (Coffea Canephora) tiene mayor contenido en cafeína. Es más resistente a las plagas y necesita menos cuidados, por lo tanto es más económica. Se cultiva principalmente en África e Indonesia. Es la segunda especia cultivada más abundante. Otras especies Existen otras especies menos importantes y difundidas, como son: Coffea liberica, 13
Coffea Dewevrei, Coffea Stenophylla, Coffea Congensis, Coffea Abeokutae, Coffea Klainii, Coffea Zanguebariae y Coffea Racemosa. Variedades nacionales El café se desarrolla con relativa facilidad desde los 600 hasta los 1,800 metros sobre el nivel del mar en casi todas las regiones geográficas del Perú. Sin embargo, el 75% de los cafetales está sobre los 1,000 msnm. Los cafés del Perú son de la especie arábiga, que se comercializa bajo la categoría “Otros Suaves”. Las variedades que se cultivan son principalmente Típica, Caturra, Catimores y Borbón. En concordancia con las tendencias actuales, algunos grupos de agricultores peruanos se han especializado y trabajan en café orgánico y otros cafés especiales, reconocidos por su perfil y características peculiares como su calidad de taza, acidez y sabor balanceado que se ajusta muy bien a los microclimas, la temperatura y la estricta altura (1,400 – 1,800 msnm). Beneficio del café
Fig. 1. Etapas de beneficio del grano de café cosechado
14
Secador solar Consta de un colector constituído por una caja térmica que capta y almacena la radiación solar y la transforma en energía térmica para calentar el aire que circula en su interior, forzado por un ventilador centrífugo que succiona el aire caliente del colector solar y lo envía a la
cámara de secado tipo invernadero en la que se
encuentra el café, en una bandeja rectangular; es una estructura de madera con recubrimiento de manta de polietileno de baja densidad (PEBD) con aditivo anti UV.
Fig. 2. Modelo de un secador solar de café
15
2.5.2 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS Energía renovable: Es un tipo de energía que se caracteriza porque, en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil, no se consumen ni se agotan en una escala humana de tiempo. Entre estas fuentes están: Energía hidráulica, Energía solar (térmica y fotovoltaica), Energía eólica, entre otros. Además, dependiendo de su forma de explotación, también pueden ser catalogadas como renovables aquellas provenientes de la biomasa y de fuentes geotérmicas. Energía solar: Es una forma específica de radiación solar y ofrece varias maneras de recuperación energética, ya sea como vía de calentamiento que reemplaza el consumo de energías convencionales, producción de electricidad y, potencialmente, en realidad la energía solar es la base para aprovechar otros tipos de energías, como la eólica o la energía procedente de la biomasa. Flujo de aire: Es una masa de aire que tiene una velocidad en una determinada área. El aire por su baja densidad es fácil de moverla, es decir, no se requiere de fuerte potencias para producir una corriente de aire. Y de otra parte, cuando éste se encuentra a una temperatura por encima del ambiente, su densidad baja de valores. Café pergamino: Es el resultado de retirar la cáscara y mucílago (pulpa) del café. Esta operación se consigue con un dispositivo mecánico que estruja al grano maduro facilitando la salida del grano del interior de la cereza de café. Por lo general para retirar la completamente la pulpa de café es necesario dejarlo fermentar por 24 horas para proceder a un lavado con agua fría. Posteriormente, se procede a secar hasta lograr una deshidratación del grano de café, en estas condiciones se acopia para venta. Transferencia de calor: Es un mecanismo para transferir energía. Existen tres formas comunes para lograrlo, mediante la conducción, que se produce cuando la fuente caliente energéticamente tiene contacto directo con una fuente fría; un segundo mecanismo es la convección, y resulta cuando el contacto es a través de un flujo de aire, y finalmente, por radiación, se consigue haciendo uso de la radiación solar.
16
Humedad relativa: Se define como el cociente entre la humedad absoluta y la que habría si el aire estuviese saturado de vapor de agua a la temperatura considerada o, lo que es lo mismo, el cociente entre la presión parcial del H 2O(g) en la mezcla de gases que es el aire, Pv, y la presión de saturación a la temperatura considerada, Ps, ya que si se considera el H2O(g) como gas ideal las masas son proporcionales a las presiones. 2.6 HIPÓTESIS El diseño, construcción y operación de un secador solar para granos de café permitirá un mejor beneficio económico al otorgar una mejor calidad y sabor a la taza de café proveniente de los cafetaleros del distrito de Lonya Grande- Amazonas. 2.7 OBJETIVOS 2.7.1
OBJETIVO GENERAL Realizar el diseño, construcción y operación de un secado solar para granos de café arábigo en el distrito de Lonya Grande-Amazonas. 2.7.2 -
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Caracterización física y organoléptica del grano de café arábigo cosechado en el distrito de Lonya Grande-Amazonas.
-
Diseño de un secador solar para una capacidad instalada de 5 quintales café/día.
-
Evaluación del beneficio económico al utilizar un secador solar.
-
Evaluación del beneficio ambiental a utilizar un recurso renovable como la energía solar.
-
Determinación de la humedad relativa del grano de café.
17
2.8 VARIABLES Variable independiente: Diseño, construcción y operación de un secador solar. Variable dependiente: Café seco ecológicamente. 2.8.1
OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
Variable
Definición
Dimensiones
Indicadores
Instrumentos de
independiente Diseño,
Es el conjunto de datos
1).- Diseño del
a.- Temperatura
medida a.- (°C), medido con
construcción y
científicos y cálculos
secador solar
ambiental de Lonya
termómetro
operación de un
que se inter relacionan
Grande- Amazonas.
ambiental.
secador solar
entre si analíticamente
b.- Velocidad del
b.- (m/seg). Medido
para lograr el diseño,
viento.
con anemómetro.
construcción y
c.- Radiación solar.
c.- (kW/m2).
operación de un
Medido con
secador solar para café en el distrito de Lonya Grande – Amazonas.
2).- Construcción
a.- Tamaño del secador.
piranómetro. a.- (m). medida con
del secador solar.
b.- Dimensiones de la
cinta métrica.
caja interior y exterior
b.- (m). medida con
del secador.
cinta métrica.
c.- Dimensiones de la
3).- Operación
bandeja de secado.
c.- (m). medida con
a.- Humedad relativa al
cinta métrica. a.- (% de vapor de 18
del secador solar.
Variable dependiente
Definición
Dimensiones
inicio de las
agua), medido con
operaciones.
termohigrógrafo.
b.- Humedad relativa al
b.- (% de vapor de
final de las
agua), medido con
operaciones.
termohigrógrafo.
c.- Rendimiento del
c.- % de vapor de
secador solar.
agua evaporado. Instrumentos de
Indicadores
Café seco
Es el grano de café que
1).- Agricultura
a.- Beneficio
medida a.- (S/.). Mayor
ecológicamente
puede por su calidad y
sustentable.
económico del
rentabilidad del
.
grado de humedad ser
proceso.
proceso de secado.
acopiado por el
b.- Menor horas-
mercado local. Se
b.- Uso de menor
hombre del secado
diferencia de otros
personal para secado
de café.
granos secos, por
de café.
utilizar energía solar, evitando de ésta manera impactar el medio ambiente. De forma que el cultivo de café se vuelve
2).- Uso y su
a.- Beneficio ambiental
a.- Disminución del
aprovechamiento
del proceso.
impacto ambiental.
de la radiación
b.- Ahorro del tiempo
b.- (días). Menor
solar.
del secado de café.
tiempo de secado.
sustentable en el tiempo por su protección del medio ambiente y por la rentabilidad que produce en los cafetaleros.
19
2.9. MARCO METODOLÓGICO DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN El proyecto tendrá una base experimental que será llevado a cabo tomando muestras de granos de café recién despulpados y lavados; los cuales serán desecados en una unidad que tiene como fin aprovechar la radiación solar.
2.9.1 POBLACIÓN, MUESTRA Y MUESTREO Población: La población de estudio constituyen todos los granos de café que tienen como característica física que se encuentran húmedos y que tienen la misma procedencia, es decir fueron cosechadas de las fincas cafetaleras procedentes del distrito Lonya Grande en Amazonas. Actualmente, son 585 las familias productoras de café en el distrito evaluado; los que son dueños de parcelas cafetaleras que tienen un área mínima de media hectárea hasta un máximo promedio de 4 a 7 hectáreas de café. Muestra y muestreo: Se ha considerado establecer al menos tres puntos de muestreo (Estaciones de evaluación), lo que incluye a los caseríos Ortiz Arrieta, Guamboya y Nueva York. Para lo cual se hará un estudio de cada piso ecológico.
2.9.2 MÉTODO
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El actual investigación se realizará utilizando conceptos tecnológicos sobre el uso y aplicación de la energía renovable, como una medida ecológica que coadyuve a la economía de los productores de café y de otra parte se realice una contribución en contra del cambio climático, procediendo para ello a diseñar una unidad de secado que tenga como única fuente de calentamiento la energía solar radiante. Su aplicabilidad será puesta a disposición de los moradores productores de café que viven y trabajan en cultivos de café dentro de la jurisdicción del distrito de Lonya Grande. A parte se podría extender su uso del secador solar hacia productos cosechados en la misma zona de evaluación, como son las bayas de cacao. Es decir, la proyección de utilidad del secador solar no tiene fronteras y más bien su carácter ambientalista lo vuelve indispensable en zonas donde por la temporada de lluvias es difícil el secado del café.
2.9.3 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS Equipos secador solar: Se realizará el diseño de un secador solar, el mismo que tendrá como finalidad albergar los granos húmedos de café y que deberá cumplir con el fin de tener la temperatura de aire deseado a la salida del colector solar, evitandose que la caída de presión en el colector no sea elevada. Para los cálculos se tendrá en cuenta factores propuesto por Close, 1993. Es decir, se evaluarán: Temperatura ambiental, radiación solar, velocidad del viento, flujo másico del aire, temperatura antes y despues de salir de secador solar, absorvancia de la cubierta transparente y conductividad térmica del aislamiento de la cámara. Diseño del secador solar Se ha tomado como criterio realizar el diseño de un secador solar que tendrá partes: Colector solar y una cámara de secado; su estructura presenta ventajas pues la cámara interna de secado permite el ingreso de la radiación solar aumentando de ésta forma la 21
velocidad de secado de los granos de café húmedos. El proyecto consiste en brindar un diseño que garantice una capacidad instalada de secado de 5 quintales café/día. La siguiente figura muestra una forma del colector solar para producir aire caliente, el mecanismo es el siguiente, los rayos solares atraviesan las cubiertas transparentes y llegan a la superficie absorvente, la cual toma parte de la radiación solar calentando de ésta forma la superficie, asi el aire situado entre la cubierta transparente y la superficie absorvente es calentado (Gónzales, 2008).
Fig. 3. Prototipo de un colector solar
La finalidad del aire estancado entre la cubierta transparente de plástico y la calamina es de sevir como aislamiento, de allí que su espesor no es menor a 25 mm. Por otra parte, el aire que fluye debajo de la placa absorvente es también calentado. Finalmente, la parte inferior tiene una propiedad reflectante, es decir, la radiación emitida por la superficie absorvente es reflejada al aire circundante para ayuda al incremento de su temperatura. Debajo de la superficie reflectante se emplea aislamiento térmico. 22
Materiales para el calentador solar: a.- Cubierta transparente: Debe ser de alta transmitancia a la radiación solar y baja transmitancia a la radiación infraroja, entre los materiales a utilizar se pueden escoger a partir de la siguiente relación de materiales: - Plásticos en láminas (1,0 – 3,2 mm) - Polimetalicrato de metilo (PMMA) comercialmente se le conoce como acrílico y Lucite. - Policarbonato (PC) comercialmente se le conoce como Lexan. - Fibra de vidrio reforzado. - Fluoruro de polivinilo (PVP), comercialmente se le conoce como Tedlar. - Propileno-etilenofluorinado (FEP), comercialmente se le conoce como teflón. - Poli terftalato de etileno (PET), comercialmente se le conoce como Mylar. - Polietileno tratado contra la radiación ultravioleta. - PVC transparente. - Ethylene tetrafluor polymerisate (ETFE), comercialmente se le conoce como Hostaflot. b.- Aislamiento: Debe tener como característica poseer bajo peso, baja conductividad y bajo costo económico. Entre los diversos materiales que se pueden utilizar para éste fin, se tienen los siguientes: - Teknopor - Lana de vidrio - Poliuretano. c.- Superficie absorvente: Es muy deseable contar con una alta conductividad térmica y una alta abortividad de la radiación solar, lo cual conseguimos aplicando una capa de pintura negra. Entre los materiales dipuestos a utilizar se puede escoger a partir de la siguiente relación: 23
- Pintura esmalte negro - Pintura negro mate - Alquitran - Pintura negro de humo Diseño de la cámara de secado El diseño está referido a las dimensiones de la bandeja de secado y las forma de carga y descarga de los granos de café. Para las dimensiones de las bandejas, se ha tomado como criterio considerar 1,0 m de ancho, 3,5 m de largo y una altura de la bandeja de 0,10 m. con lo cual se logra un área de tres metro y medio. Materiales: - Vigas de madera - Vigas de bambus. - Alambre de amarre. La forma que se dará a la unidad es de un paralepípedo y la forma será semicircular, tal como se muestra en la siguiente figura.
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Fig. 4. Prototipo de la cámara de secado
Diseño del ventilador El ventilador será una fuente de forzar el recorrido de aire, y se ha contemplado el uso de un ventilador centrifugo, el cual encierra en su interior un rotor encerrado envolvente de forma espiral; el aire entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, y es succionado por el giro del motor y arrojado hacia la envolvente. Se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; entre los modelos comerciales se tienen con entrada sencilla y doble. Para el presente trabajo se contempla utilizar de entrada sencilla.
2.9.4 PROCEDIMIENTO El secador solar para café se instalará en un patio de la casa de una familia productora de café, exactamente en el caserío Ortiz Arrieta. Desde allí se habilitará el servicio para los productores de café aledaños como son de Guamboya y Nueva York. Los materiales de construcción serán aquellos descritos anteriormente, y buscando en lo posible otorgarle un enfoque ecológico en concordancia a la defensa del medio ambiente. El secador solar estará formado por 3 compartimientos de secado unidos entre ellos con madera y alambre de amarre. Cada módulo de secado tendrá la capacidad para albergar al menos un poco más de quintal y medio de café recién lavado. Podrá soportar un peso aproximado de 100 kilogramos de café húmedo, distribuidos a lo largo de las camas de secado y guardando una altura de hasta 10 cm. El plástico transparente de polietileno de baja densidad (PEBD) elaborado con el aditivo de ultra violeta (UV) se tensará sobre los módulos colectores para lo cual se hará uso de varillas de 1,20 m de largo. Una vez que el café húmedo se encuentre en la cámara de secado se procederá encender el 25
ventilador para forzar la circulación del aire y cada cuatro horas se realizará una medida del grado de humedad del grano de café, de manera que en esas paradas se proceda a remover las camas o bandejas de café a efecto de uniformizar la temperatura al interior del grano de café.
2.9.5 ANÁLISIS DE DATOS La observación de los resultados obtenidos durante las pruebas con el secador solar se procesaran a través del programa IBM SPSS Statistics 20, para determinar la caídas de humedad en el grano recién lavado. Para lograr el objetivo se tomarán datos y las mediciones con los resultados de campo serán ordenadas, resumidas, analizadas, interpretadas y presentadas por medio de clasificaciones y cálculos en las que se usan fórmulas de estadística descriptiva. Se aplicarán medidas de tendencia central: Media, mediana y moda y modelos de dispersión: rango, desviación estándar, varianza y coeficiente de variación para comparar las concentraciones de humedades iniciales con las humedades finales al concluir la etapa de secado natural.
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