Este documento describe un estudio sobre la dinámica del secado solar en el altiplano ecuatoriano. Analiza las variables meteorológicas clave como la temperatura y radiación solar, y estudia los flujos térmicos y la eficiencia de un secador solar de convección natural en Riobamba, Ecuador. El estudio busca determinar los posibles efectos de las características únicas del altiplano ecuatoriano a 2500 m sobre el nivel del mar en el proceso de secado solar.

1. XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
DINÁMICA DEL SECADO SOLAR EN EL ALTIPLANO ECUATORIANO
Arquímedes Xavier HaroVelasteguí1,2
- arquimidesharo@yahoo.es
Raúl Ulises Sanchez Moscozo1
- ulises40@hotmail.com
1
Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingeniería, ICITS, ECUADOR
2
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Escuela de Física y Matemática, ECUADOR
Yolanda Eugenia Llosas Albuernes2
- yolanda@fie.uo.edu.cu
3
Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Departamento de Control Automático, CUBA
Resumen— La dinámica en el proceso de secado es uno de los factores más importantes que se debe conocer para
mejorar la eficiencia en el proceso de secado, los diseños de secadores, normalmente se ajustan a las condiciones
llamadas normales al nivel del mar, y a latitudes medias, particularmente el presente traba se orienta para determinar
los potenciales efectos que podrían tener las características particulares del altiplano Ecuatoriano, a latitud cero y
alrededor de 2500 m sobre el nivel del mar, que se caracteriza por ser una zona de convergencia, en el mismo se
desarrolla un análisis de las variables meteorológicas más importante, un estudio de flujos térmicos y un análisis del
gradiente de temperatura y eficiencia de un secador de convección natural en condiciones normales y de la ciudad de
Riobamba de la serranía Ecuatoriana.
Palabras clave— Dinámica, flujos térmicos, simulación, secador solar, altiplano.
Abstract— The dynamics in the drying process is one of the most important factors that should be known to improve
efficiency in the process of drying, the design of dryer, usually is develop in normal conditions at sea level, and at
midlatitudes, particularly this job is directed to determine the potential effects that could have the particular
characteristics of the Ecuadorian highlands, with the zero latitude and about 2500 m above sea level, which is
characterized by a convergence zone in the same develops an analysis of the most important meteorological variables,
a study of heat flows and an analysis of the temperature gradient and efficiency of a natural convection dryer in normal
and Riobamba city of the Ecuadorian highlands.
Keywords— Dynamics, heat flows, simulation, solar dryer, highland.
1. INTRODUCCIÓN
La mayor parte de los fenómenos de la atmósfera se desenvuelven en la troposfera y particularmente en la capa límite
atmosférica, donde se llevan a cabo procesos dinámicos más importantes, los cuales se dan debido al desarrollo de la
turbulencia mecánica en primera instancia (A. Picard, 2008), la cual se relaciona con el rozamiento del viento con la
superficie sólida y en una segunda instancia por el desarrollo de la turbulencia convectiva, producida por el flujo de
calor entre el suelo y el aire, que se produce por el calentamiento del suelo en las horas del día.
La mayor parte de procesos que ocurren en la atmósfera, se sabe que son de carácter turbulento, es decir un sistema no
lineal, que no responde a las ecuaciones dinámicas planteadas en la física clásica, las cuales describen esencialmente
sistemas lineales (A. Zomorodian, 2010), razón por lo que se han realizado una serie de aproximaciones (modelos) que
permiten describir con cierta aproximación la dinámica de la atmósfera.
Los requerimientos de energía cada vez más grandes y la disminución de las fuentes tradicionales, conducen a la
búsqueda de nuevas fuentes, más limpias y renovables, que contribuyan a proteger el medio ambiente y aprovechar de
mejor manera los recursos naturales (A. Creus, 2010), siendo una de las más importantes la energía solar, que en el
Ecuador por su posición geográfica y altitud respecto al nivel del mar presenta muchas ventajas, además, es conocido
que muchas de las fuentes convencionales producen graves daños a las condiciones ambientales del planeta, como es el
caso del cambio climático, pero que está sujeta a los procesos que se dan en la atmósfera y depende de la dinámica que
se da en forma similar, como que fuera una capa a menor escala con procesos similares como es el caso de los secadores
solares. El diseño de secadores solares (A. Castañeda, 2012) no es nuevo a latitudes medias, sin embargo las
condiciones en que se han desarrollado no son similares a las que gobiernan en nuestra zona, meteorológicas o físicas,
el trabajo se desarrolla en la ciudad de Riobamba, de latitud Sur 1°40′6.94″ y longitud Oeste 78°39′2,50″, meseta a
2.754 metros de altura sobre el

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2. DESCRIPCIÓN
Caracterización de parámetros meteorológicos y micro meteorológicos
Para el desarrollo del trabajo se procedió a establecer ciertos parámetros fundamentales bajo condiciones típicas de la
ciudad de Riobamba, para lo cual se tomó como referencia, altura respecto al nivel del mar 2750 m, Latitud:1º 39’ 58’’
S Longitud:78º 39’ 33’’ O, así como datos de presión atmosférica, temperatura ambiente, radiación solar, velocidad del
viento, entre otros, tomados en la estación meteorológica de la ESPOCH, desde el año 2007 al 2012.
Se determina el comportamiento de los parámetros meteorológicos y micro meteorológicos de interés para el diseño del
modelo bajo condiciones de la ciudad de Riobamba, tomando datos meteorológicos, de las estaciones de la ESPOCH
del grupo de energías alternativas, durante los años 2007-2012.
Figura 1: Datos promedios mensuales de presión atmosférica
en la ciudad de Riobamba en el periodo 2007-2012.
Figura 2: Datos promedios mensuales de temperatura ambiente
en la ciudad de Riobamba en el periodo 2007-2012.
Con los datos obtenidos por cada hora durante los dos años de análisis se procedió a procesarles mediante el modelo de
Van Ulden Hostlang (Van Ulden, 1985), desarrollado en software con codificación fortran en el estudio de difusión de
contaminantes atmosférica en el Parque Industrial Riobamba, el cual permite calcularlos, para luego ser procesados
Tab. 1.
Tabla 1. Flujos superficiales de calor y radiación neta por días en la ciudad de riobamba.
FLUJO DE CALOR
LATENTE
(W/m2
)
FLUJO DE CALOR
SUPERFICIAL
(W/m2
)
FLUJO DE CALOR
SENSIBLE
(W/m2
)
RADIACIÓN
NETA
(W/m2
)
Media 38,22 22,21 155,20 215,62
Máximo 46,88 27,82 182,52 249,48
Mínimo 33,12 16,77 117,86 191,54

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Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana
Ecuación de Balance Energético en colectores de placa plana Ec. 1.
(1)
Qabs (W): Es el calor total incidente absorbido por unidad de tiempo, Ec. 2.
Qútil (W)=Qu: Es el calor útil que se trasfiere al fluido de trabajo, Ec. 3.
Qperd (W): Perdidas de calor (alrededores) por radiación, convección y conducción, Ec. 4.
du/dt (W): Rapidez del cambio de energía almacenada en el colector, despreciable .
(2)
H (W/m2
): Es la radiación solar incidente.
Ac (m2
): Es el área efectiva del colector.
: Transmitáncia solar efectiva de la cubierta del colector
α: Absorbancia de la placa absorbente del colector.
(3)
ma (kg): Masa de aire
Cp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluido
dT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempo
(4)
Ul (W/m2
ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por radiación, convección y conducción, Tp (ºC) temperatura media de la
placa de absorción, Ta temperatura del ambiente, Ic radiación incidente.
Temperatura de salida:
Eficiencia:
Inclinación de colector solar
El ángulo de inclinación óptimo de las superficies captadoras de un sistema solar está determinado por muchos factores,
entre ellos la radiación incidente en el lugar donde va situada la instalación, y el cielo solar, donde influye la sombra de
objetos que no pueden ser eliminados, como edificios (M. Pareja 2012), montañas, etc.
La ubicación del colector en nuestro caso (hemisferio sur) debería estar hacia el norte con una inclinación similar a la
latitud para que los rayos del sol incidan perpendicularmente a la superficie y se tenga mejor aprovechamiento, pero por
cuestiones de limpieza (para que el polvo que se acumula en la superficie tienda a resbalar, la lluvia no se acumule o la
lluvia sea la encargada de limpiar por si sola la superficie) se les puede dar una inclinación de ±10° sin que esto afecte
sensiblemente su funcionamiento (C.L Hii, 2012).
Modelado de la cámara de secado
Las hipótesis bajo las cuales se ha realizado el modelo son las siguientes: el agua extraída del producto se incorpora en
forma de vapor saturado a la corriente de aire; los intercambios de radiación entre las paredes de la cámara y el producto
se consideran despreciables; el agua del producto se supone que está en estado líquido y distribuida uniformemente en
él; la temperatura del aire a la entrada de la cámara de secado se estima que coincide con la temperatura de salida del
colector; la temperatura del aire situada entre las bandejas del producto se determina como media entre la temperatura
de entrada y salida de la cámara por la disposición de las bandejas, para la simulación del secado en modo mixto se
considera exclusivamente la acción de la radiación en la bandeja inferior; que la superficie de las paredes interior y
exterior son diferentes; por último, se considera las paredes opacas de la cabina de acero inoxidable con un aislante de
fibra de vidrio, espesor de 5 cm (I. Montero 2005).
Siguiendo la secuencia en los balances para la instalación genérica, particularizado para la disposición que nos ocupa, se
establece las siguientes ecuaciones:
1) Intercambio entre el flujo de aire caliente, el producto y las paredes internas del secadero, Ec 5.

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(5)
Siendo : caudal másico de aire seco (kg/s); : calor específico del aire (J/kg °C); y : temperatura del
agente desecante (aire) a la entrada y salida de la cámara de secado respectivamente (°C); : temperatura del aire
situado entre las dos bandejas del producto (°C); y : coeficientes convectivos aire-producto para la bandeja
inferior y superior (W/m2
°C); y : superficie de las bandejas inferior y superior que contienen al producto (m2
);
y : temperatura del producto húmedo de la bandeja inferior y superior respectivamente (°C); : coeficiente
de transmisión de calor convectivo aire-pared traslucida (W/m2
°C); : superficie de una de las paredes traslucidas de
la cámara (m2
); : temperatura de la pared interna translucida (°C); : coeficiente de transmisión de calor
convectivo aire-pared opaca (W/m2
°C); : superficie de una de las paredes opacas de la cámara (m2
); :
temperatura de la pared interna opaca (°C).
3. RESULTADOS
Para el procesamiento se ha tomado una de datos a nivel del mar en el aeropuerto de Guayaquil ( ubicada a 2° 12' 00’’
latitud Sur y a 79° 53' 00’’ de longitud Oeste, con un promedio de altitud de 4,60 metros sobre el nivel del mar) y otra
de Riobamba (Se encuentra en el centro geográfico del país, en la cordillera de los Andes, a 2.754 msnm, Ubicación,
1°40′6.94″Sur 78°39′2,50″Oeste) (Paginas web).
Se ha procedido a obtener, la temperatura de salida del colector y la eficiencia en función del tiempo y la radiación, con
flujo másicos de referencia de 0.06 Kg/s se presenta algunos resultados en las Figs. 1, 2 y 3.
Figura 3. Incremento de temperatura en los datos procesados
de Guayaquil y Riobamba, colector 1x1m.
Figura 4. Resultados de temperatura en el tiempo de un colector de 2x1 m,
simulado para Riobamba y Guayaquil.

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Figura 5. Resultados de eficiencia de salida del colector respecto a la radiación
ingresada con los datos de Riobamba y Guayaquil, temperatura 20 °C y
velocidad convectiva 1 m/s, colector 1x1m.
Figura 6 Comparación entre datos calculados con el modelo y medidos con un prototipo.
En el caso de la cámara de secado se han hecho las primeras pruebas midiendo directamente en el secador y comparando
con los cálculos realizados hasta instalar el sistema de captura que se está implementando para el prototipo, en la Fig. 7.
Figura 7. Resultados cámara de secado.
4. CONCLUSIONES
 El modelo identifica diferencias del comportamiento de la variación de temperatura y eficiencia entre condiciones
normales de la zona ecuatorial y otras latitudes respecto a Riobamba, que se alla en el altiplano Ecuatoriano.
 El gradiente de temperatura Riobamba presenta una pendiente mayor en su incremento o decremento, respecto al
nivel del mar, debido al alto flujo de calor sensible.
 La eficiencia en condiciones de altura, es menor que en condiciones normales, debido al tener un mayor calor
latente.
 Las condiciones dinámicas particulares de la atmósfera de la ciudad de Riobamba se ven manifiestas en los
resultados, calculados y medidos, lo que requiere ser reconsiderado en el diseño de los secadores solares y los procesos
de los mismos.
 La simulación en la cámara de secado presenta valores con tendencia similares a los medidos experimentalmente.

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AGRADECIMIENTO
Al grupo de energía alternativa de la ESPOCH, al proyecto secador solar de la UNACH, al proyecto Calidad del Aire
UNACH, por la ayuda para el desarrollo del presente trabajo.
REFERENCIAS
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(CIPM-2007)”, Metrología 45, 149-155.
A. Castañeda, A. González, R. Guzmán, O. Ibarra, 2012; “Desarrollo de un horno solar para el
secado de plantas y vegetales usando control difuso”, Acta Universitaria, Unive
A. Creus, 2010; “Energía termosolar”, Cano pina S. L., Cataluña España, ISBN:978-84-95693-
46-4.
A. Zomorodian, M. Moradi, 2010, “Mathematical Modeling of Forced Convection Yhin Layer
Solar Drying for Cuminum cyminum”, Journal Agroindustry Science and Technologic, Vol.
Businger, Wingaard, Izumi, Bradley, 1971; “Flux-profile relationships in the atmospheric
surface layer”, Journal of the Atmospheric Sciencies, 28, Pg. 181-189.
C.L. Hii, S.V. Jangam, S.P. Ong and A.S. Mujumdar, 2012, “Solar Drying: Fundamentals,
Applications and Innovations”, ISBN: 978-981-07-3336-0
I. Montero, 2005; “Modelo y construcción de un secador solar híbrido para residuos
biomásicos”, Universidad de Extremadura, España, Tesis de Doctorado.
J Andrade, P. Ochoa, 2013; “Reducción del consumo de energía eléctrica residencial, mediante
la aplicación de sistemas termo-solares para el calentamiento de agua sanitaria
J. Fernández, 2010 , “Compendio de energía solar”, ed. Mundi-prensa, ISBA 978-84-96709-51-
5 Madrid-España.
M Pareja, 2010; “Radiación solar y su aprovechamiento energético”, Marcombo S.A.;
Barcelona España, ISBN: 9788426715593, 2010, pag 14-42, 149 – 177.
R. Bergues, J. Abdala , P. Griñán, 2010; “Concepción y avaluación de un secador solar de
gramos con cubierta de polietileno”, Universidad de Oriente, Cuba.
Van Ulden, Hostlag, 1985; “Estimation of Atmospheric Boundary Layer Parameters for
Diffusion Appli-cations”; Journal of climate and Applied Metereology, 24, pg 1196 - 1207
Páginas web:
http://tallerecologista.org.ar/rosariosolar/manuales/ManualdeConstrucciondeColectoresSolaresTermicos-TE.pdf
Manual de construcción de colectore solares térmicos
http://es.wikipedia.org/wiki/Guayaquil.
http://es.wikipedia.org/wiki/Riobamba.