DISEAÔÇÿO-Y-CONSTRUCCIAÔÇN-DE-UN-SECADOR-SOLAR--Angeles-MartAnez-

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA 
 
 
 
 
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN 
SECADOR SOLAR” 
 
 
 
 
INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE 
 
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN 
 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
I N G E N I E R O E N A L I M E N T O S 
P R E S E N T A: 
ANGELES MARTÍNEZ DANIEL 
 
 
DIRECTOR DE INTERNO: M. en C. CARLOS OROZCO ÁLVAREZ 
 
 
AAAAGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOS 
 
A Dios, por darme la vida y ponerme junto a las personas que quiero. 
 
A mi mamá, Esperanza Martínez, que con su amor, apoyo y desvelos, le debo todo 
lo que soy; que ha sido un ejemplo de vida y a quien nunca podré pagarle todos sus 
sacrificios y la confianza que depositó en mí. 
 
A mis hermanas, Daniela y Liliana, quienes han compartido conmigo momentos 
gratos y difíciles también; que con su apoyo incondicional y consejos he logrado 
alcanzar mis objetivos. 
 
A mi tío y amigo Juan Carlos Martínez, quien en vida siempre me alentó a ser mejor 
persona, y por todo el interés que mostró en la realización de éste proyecto. 
 
A toda mi familia, en especial a Toñita y Luz, por creer en mí. 
 
A mis amigos y compañeros por brindarme su amistad a lo largo de estos años. 
 
Al profesor Carlos Orozco Álvarez por darme la oportunidad de colaborar con él en 
la consolidación de éste trabajo. 
 
 
 i 
RESUMEN 
 
 
La deshidratación de alimentos ha 
jugado un papel importante en la 
conservación y comercialización de los 
mismos. 
 
 Debido a la falta de adecuados 
métodos de conservación, el secado 
solar al aire libre sigue siendo 
ampliamente utilizado en México y en 
muchos otros países, ya que se usa al 
sol como una fuente renovable de 
energía gratuita; sin embargo presenta 
limitaciones para el secado a gran 
escala entre los que se encuentran altos 
costos, gran área requerida, falta de 
control de proceso, posible degradación 
bioquímica, infestación por insectos, etc. 
 
Por tales motivos la construcción de los 
secadores solares ha cobrado gran 
importancia ya que requiere menos 
espacio, se logran productos secos en 
mayor cantidad y calidad, el periodo de 
secado es menor, los gastos de 
inversión y mantenimiento son bajos, 
debido a la disponibilidad de materiales 
para su construcción y de que no se 
requiere mano de obra especializada. 
En el presente trabajo se realizó una 
secuencia de cálculo para estimar el 
tiempo requerido para el secado de 
nopal bajo las condiciones que se 
supone existen dentro del secador y las 
propiedades físicas del nopal. Se estimó 
que la temperatura de salida del aire del 
secador será 65 °C, la velocidad del 
aire (Va) es de 0.63 m/s, con ellos se 
determinó que el tiempo de secado de 
95 kg de nopal es de 9 horas. 
 
Se calculó el flujo de calor total 
necesario para secar 95 kg de nopal, 
que al compararlo con el calor obtenido 
del sol como fuente energética, se 
concluye que es posible realizar 
exitosamente el secado del alimento en 
cuestión en el secador solar tipo carpa 
con las dimensiones sugeridas en el 
presente trabajo. 
 
Por otro lado se construyó un secador 
solar tipo carpa, que permite secar de 
80 - 100 kg de frutas y hortalizas por 
carga. 
 ii 
NDICE 
 
1. INTRODUCCIÓN 1 
 
1.1. Antecedentes 1 
 
1.2. Generalidades 2 
 
1.3. Principios y formas del secado solar de frutas y hortalizas 3 
 
1.4. Aspectos de los secadores solares 5 
 
1.5. Métodos de secado solar 5 
 
1.6. Clasificación de los procesos y equipo 8 
 
1.7. Tipos de secadores solares 9 
 
1.7.1. Secadores de distribución 9 
 
1.7.2. Secador tipo integral 9 
 
1.8. Aplicaciones, ventajas y desventajas 10 
 
2. JUSTIFICACIÓN 12 
 
3. OBJETIVOS 12 
 
Objetivo General 12 
 
 
Objetivos Específicos 12 
 iii 
4. METODOLOGÍA 13 
 
5. DESARROLLO DE LA SECUENCIA DE CÁLCULO PARA 
 LA ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE SECADO 14 
5.1. Definición de las constantes y variables del sistema 14 
5.2. Cálculo del tiempo de secado 15 
 
5.3. Cálculo de la humedad en base húmeda 20 
 
5.4. Cálculo de la presión de vapor. Ecuación de Antoine 21 
 
5.5. Cálculo de la humedad del aire a la entrada del secador 22 
 
5.6. Cálculo de volumen húmedo 22 
 
5.7. Cálculo de la densidad del aire 23 
 
5.8. Cálculo del flujo másico de aire 23 
 
5.9. Cálculo del diámetro equivalente 24 
 
5.10. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor 24 
 
5.11. Cálculo del calor específico húmedo de la mezcla aire-agua 25 
 
5.12. Cálculo de la masa de sólidos húmedos y secos 25 
 
5.13. Cálculo de la densidad de sólido seco 26 
 
 
5.14. Cálculo del contenido de humedad en el punto crítico 27 
 iv 
5.15. Cálculo de la temperatura del sólido a la salida del secador 28 
 
5.16. Cálculo de las entalpías 28 
 
5.17. Cálculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador 30 
 
5.18 Cálculo de la velocidad del aire 31 
 
5.19. Cálculo del flujo de calor total necesario para secar los sólidos 
 dispuestos en las charolas 34 
 
6. Planos del secador solar 35 
 
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 45 
 
8. CONCLUSIONES 47 
 
9. PERSPECTIVAS 48 
 
10. BIBLIOGRAFÍA 49 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 v 
LISTA DE CUADROS 
 
1 Descripción de algunos tipos de secadores solares 7 
2 Listado de materiales para la construcción del secador solar 41 
3 Propiedades de la zanahoria 45 
4 Resultados obtenidos para el secado del nopal utilizando los datos de 
las constantes y variables, así como la memoria de cálculo planteada en 
la sección 
46 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 vi 
LISTA DE FIGURAS 
 
1 Secado directo en alimentos 6 
2 Cubierta de tela a modo de protección de alimentos a secar 6 
3 Secador en marco con mallas encima y abajo del alimento 7 
4 Secador solar pasivo integral 10 
5 Secador de bandeja 18 
6 Diagrama de flujo para el determinar el valor definitivo de Va 33 
7 Componentes principales del secador 35 
8 Perspectiva de la estructura del secador 36 
9 Unión de estructura con la tela 36 
10 Planta del secador 37 
11 Cabrilla frontal 38 
12 Cabrilla común 38 
13 Cubo con chimenea 39 
14 Base para carro de secado 39 
15 Rejilla de secado 40 
16 Rejillas apiladas 42 
17 Estructura metálica con carros dentro 42 
18 Parte norte del secador 43 
19 Parte sur del secador 43 
20 Ruta de carga y descarga de los carros 44 
21 Secador solar tipo carpa construido 44 
 
 1 
1. INTRODUCCIÓN 
 
Según Suazo (1993) la deshidratación de alimentos ha jugado un papel importante en 
la conservación y comercialización de los mismos, y se contempla difícil que este 
proceso sea desplazado. Sin embargo, en contra de su versatilidad, resulta ser un 
proceso caro porque consume mucha energía, y por lo tanto, contribuye a elevar de 
manera notable el costo de los productos finales. 
 
En varios países se ha promovido desde hace algunos años, la investigación y la 
búsqueda de alternativas para satisfacer las demandas energéticas, estudiando y 
analizando la energía solar, de manera intensiva y extensiva. 
 
México no ha sido la excepción, sin embargo el trabajo realizado hasta la fecha, no ha 
sido continuado de tal forma que se refleje la implementación de líneas de proceso de 
alimentos. El uso de energía solar en el procesamiento de alimentos es factible y 
debería aplicarse al menos en la etapa de secado. 
 
1.1. Antecedentes 
 
Según Suazo (1993) el uso de energía solar para el secado de alimentos es muy 
antiguo y los aspectos benéficosdel proceso se desarrollan a base de prueba y error. 
 
La deshidratación o secado ya era utilizada en tiempos prehistóricos por nuestros 
antepasados, pues les permitía obtener productos alimenticios con un tiempo de vida 
superior. Con el paso del tiempo, la demanda de alimentos ha ido creciendo con el 
aumento de la población, y cada vez es mayor esta demanda, lo que ha acarreado el 
que la industria de conservación por secado haya adquirido una gran importancia en el 
sector alimentario. El desarrollo de la industria del secado ha sido ligado a la demanda 
de alimentos que debían cubrir las necesidades de los soldados en las guerras que se 
han dado a lo largo de la historia (Barbosa, 2005). 
 
 2 
La aplicación de la energía solar para el secado de frutas y hortalizas se ha 
incrementado en los últimos años, igualmente el secado de granos parece ser un 
campo natural del secado solar. Dependiendo de las características climatológicas de la 
región, del producto y del sistema utilizado se ha encontrado que es recomendable o 
no, siendo el factor económico el principal indicativo para su utilización, pero el secado 
al sol se siguió utilizando casi como proceso único aunque se empezaron a crear 
sistemas de secado artificial (Suazo, 1993). 
 
1.2. Generalidades 
 
El secado se emplea también al extraer líquidos orgánicos de materiales sólidos. El 
secado es un proceso en el que se intercambian calor y masa. Implica la transferencia 
de un líquido procedente de un sólido húmedo a una fase gaseosa no saturada. Incluye 
una operación energética elemental y representa una de las acciones térmicas básicas 
en la industria de procesos y agroalimentaria. El secado o deshidratación de alimentos 
se usa como técnica de preservación pues los microorganismos que provocan la 
descomposición de los alimentos no pueden crecer y desarrollarse en ausencia de 
agua. Una de las maneras más simples para lograr el secado (de alimentos o cualquier 
material) es exponer el material húmedo a una corriente de aire con determinadas 
condiciones de temperatura, humedad y velocidad. Entre más seco y más caliente esté 
el aire, mayor será la velocidad de secado. El calor se añade por contacto directo del 
producto a secar con aire caliente a presión atmosférica y el vapor de agua formado se 
elimina por medio del mismo aire (Romo et al, 2007). 
 
Entonces la eliminación del agua en el alimento se consigue de forma mayoritaria 
mediante una corriente de aire seco, que elimina el agua de la superficie del producto 
hacia el seno de la corriente de aire. El proceso de secado de alimentos no solo rebaja 
su contenido en agua, sino que puede afectar otras características físicas y químicas de 
los mismos, como son destrucción de nutrientes, reacciones enzimáticas y no 
enzimáticas, entre otras, así es que con el secado se consigue una mejor conservación 
microbiológica, además de retardar muchas reacciones indeseables. Aunque esta 
 3 
conservación del alimento tiene una gran importancia, con la deshidratación también se 
logra disminuir los costos de envasado, manejo, almacenado y transporte, ya que se 
disminuye el peso del alimento, y en algunos casos el volumen (Barbosa, 2005). 
 
El secado natural en el campo, además de realizarse en la planta, se puede efectuar 
también en surcos. Para abreviar el tiempo de secado y reducir al mínimo las pérdidas, 
se puede realizar el secado, por último, en terrazas o en secadores que aprovechan la 
acción de los vientos y la energía solar (Danpasquale et al, 1991). 
 
1.3. Principios y formas del secado solar de frutas y hortalizas 
 
El proceso de secado puede ser aplicado a todo tipo de alimentos, desde vegetales y 
hortalizas hasta carnes y pescados, pasando por frutas, especias, hierbas aromáticas, 
etc. (Larrea, 2004). 
 
Se entiende por secado natural aquel en que el movimiento del aire se realiza por 
acción de los vientos y en que la evaporación de la humedad se deriva del potencial de 
secado del aire y de la influencia directa de la energía solar. El secado natural, en 
terrazas o en el campo, es un método ampliamente utilizado. El proceso comienza poco 
tiempo después de la maduración fisiológica del producto. En este periodo inicial, el 
secado se efectúa en la misma planta y el hombre ejerce el control de la operación 
únicamente durante el lapso en que el producto permanece en el campo hasta el 
momento de la cosecha. Esta puede realizarse antes de que el producto alcance el 
grado de humedad ideal para el almacenamiento, en cuyo caso es preciso 
complementar el secado con algún otro procedimiento, que puede ser natural o artificial 
(Dalpasquale et al, 1991). 
 
Según Romo et al (2007) la remoción del agua contenida en el alimento resulta un 
método muy eficaz para evitar la putrefacción y pérdida de los mismos. 
 
 4 
El secado al aire libre es un procedimiento de muy bajo costo pero puede producir 
fuertes mermas ocasionadas por las lluvias durante el proceso de secado y el ataque 
de insectos y animales. En los países en desarrollo se explica el uso del secado natural, 
realizado hasta alcanzar el grado de humedad ideal para el almacenamiento, porque los 
agricultores, en su mayoría, desconocen las técnicas de secado más modernas. 
Además, las condiciones climáticas permiten el secado y exigen una inversión mínima 
(Romo et al, 2007). 
 
Siempre se recomienda un tratamiento previo, como el escaldamiento de los alimentos 
(rápida inmersión en agua hirviendo). Sin embargo hay muchas personas que no usan 
este método previo. 
 
El hecho de no tener acceso a sistemas de energía convencionales como la electricidad 
en regiones rurales, obliga a utilizar secadores solares que aprovechen la circulación 
natural de aire. Otro factor positivo del secador solar está en que previene la 
contaminación de los productos que resulta del contacto con polvo o insectos. Al 
secarse de la manera usada localmente, los productos están expuestos a esta 
contaminación, así como a los efectos de cambios climáticos repentinos (Banout et al, 
2005). 
 
Según EPSEA. (2007) el tiempo de secado dura, en general, entre 1 y 3 días, 
dependiendo de que alimento seque, la cantidad de sol y la humedad ambiente. Una 
vez que ha comenzado el periodo de secado no se debe de interrumpir o congelar. 
Las temperaturas de secado que oscilan entre los 100 y 160 °F (38 a 71 °C) aseguran 
la destrucción de las bacterias y la inactivación de las enzimas. Una temperatura de 110 
°F (43 °C) es la que recomiendan los expertos, si se tiene demasiado calor, sobre todo 
al comienzo del proceso, impide un secado completo. El material a secar debe ser 
cortado en rodajas finas, de menos de 1/2" (1/3 cm), sin encimarlas, para que tengan 
 5 
buena ventilación. Una forma de secar el alimento es en bandejas. Una lista de 
materiales adecuados para usarse como bandejas son: el acero inoxidable, las varillas 
de madera, la estopilla, el teflón, la fibra de vidrio con recubrimiento de teflón, el nylon, y 
los plásticos aprobados para uso con comestibles. (EPSEA. 2007) 
 
1.4. Aspectos de los secadores solares 
 
Entre los principales aspectos que hacen económicamente competitivo al secador solar 
frente a las técnicas comúnmente usadas, según Banout et al, (2005) están los 
siguientes: 
 
 Requiere menos espacio que las técnicas al aire libre para el secado de la 
misma cantidad de productos. 
 
 Se logran productos secos en mayor cantidad y con mejor calidad, pues los 
hongos, insectos y roedores difícilmente pueden infestar la cosecha durante el 
proceso de secado. 
 
 El periodo de secado es más breve que el de las técnicas locales al aire libre. 
 
 Los gastos de inversión y mantenimiento son relativamente bajos gracias al uso 
de mano de obra y de materiales disponibles localmente para su construcción. 
 
1.5. Métodos de secado solar 
 
Según Kitinoja y Kader (1996) el método mássimple de secado solar consiste en 
colocar el producto a secar directamente sobre una superficie negra plana; el sol y el 
 6 
viento secarán la cosecha. Las nueces se secan de forma efectiva usando este método, 
como se muestra en la Figura 1. 
 
 
Figura 1. Secado directo en alimentos (Fuente: Kitinoja y Kader, 1996) 
 
Un método sencillo para la construcción de un secador directo es a partir de una malla 
metálica enmarcada que al colocarse sobre bloques de madera u hormigón permite la 
circulación de aire por debajo del producto. Por encima del producto se puede colocar 
una cubierta de tela ligera (de tejido de redecilla por ejemplo) con objeto de protegerlo 
de insectos y pájaros, como en la Figura 2. 
 
 
Figura 2. Cubierta de tela a modo de protección de alimentos a secar (Fuente: Kitinoja y 
Kader, 1996) 
 
 7 
Un modelo sencillo de secador solar puede construirse a partir de un marco de madera 
cubierto con esteras de malla ancha. El aire puede pasar por encima y por debajo del 
producto, acelerando el secado y reduciendo pérdidas debidas a sobrecalentamiento, 
como en la Figura 3. 
 
 
Figura 3. Secador de marco con mallas encima y abajo del alimento (Fuente: Kitinoja y 
Kader, 1996) 
 
Para aumentar la eficiencia del secado se deben usar algunas estructuras que capturen 
la radiación solar. Varios tipos de secadores solares se han desarrollado y se muestran 
en el Cuadro 1. 
 
Cuadro 1. Descripción de algunos tipos de secadores solares. 
Tipo de 
Secador 
Descripción Esquema del 
Modelo Básico 
Cabina 
(Gabinete) 
directa 
La cámara de secado es de vidrio y no usa un 
colector solar por separado 
 
Cabina 
(Gabinete) 
indirecta 
Se usa un colector solar que está separado de la 
cámara de secado y que no tiene superficies 
transparentes 
 
 8 
Modelo 
combinado 
La cámara de secado está hecha de vidrio parcial 
o totalmente, y usa un colector solar por separado 
Túnel Normalmente se usa un armazón metálico con 1 ó 
2 capas de plástico vidriado. Generalmente se 
trata de un secador directo, pero puede ser 
indirecto si el plástico de la capa más interna es 
negro 
 
Túnel bajo Secador directo semejante al anterior pero se 
construye más cercano al suelo y normalmente 
solo contiene una sola capa de producto 
 
Tienda Secador solar con un marco recto en lugar de 
curvado 
 
Arcón (bin) Cualquier secador pero nominalmente indirecto, 
con flujo de aire forzado por convección que 
puede secar capas profundas (normalmente 300 
mm ó más) de producto. 
 
Fuente: Kitinoja y Kader (1996) 
 
Existen modelos más complejos de secadores solares que los anteriormente descritos. 
Se construyen con ventanas de vidrio o plástico transparente que cubren el producto 
proporcionando protección contra insectos a la vez que captan más calor solar. 
 
1.6. Clasificación de los procesos y equipo. 
 
Con relación al manejo de los materiales a secar, la mayoría de las veces se utilizan 
cabinas deshidratadoras donde se coloca el material en bandejas, y el aire caliente se 
hace circular a través de ellas. En arreglos sencillos el aire circula en forma tangencial a 
las bandejas, en el caso de secadores tipo silo, el flujo puede ser a través, ascendente 
o radial. También se encuentran procesos en operación continua, aunque esto es 
 9 
menos frecuente debido a la gran cantidad de material y energía necesarios para su 
operación (Suazo, 1993). 
 
1.7. Tipos de secadores solares. 
 
 
Diversas iniciativas han permitido desarrollar dos tipos de secadores basados en la 
energía solar, los cuales conservan muchas de las ventajas de las técnicas 
tradicionales de secado al aire libre, según Banout et al, (2005) son el secador pasivo 
indirecto o de distribución, y el secador pasivo directo o Integral. 
 
1.7.1. Secadores de distribución 
 
En los secadores de distribución, también conocidos como secadores pasivos 
indirectos, los cultivos se colocan en bandejas o estantes dentro de una cámara oscura 
de secado y se calientan con el aire circulante, entibiado durante su flujo a través de un 
colector solar termosifónico de goteo de baja presión. Dado que la radiación solar no 
incide directamente sobre el producto, se evita la cristalización del azúcar y el daño por 
exposición directa al calor. Estos secadores son recomendables para algunas frutas y 
alimentos perecibles cuyo contenido vitamínico se reduce considerablemente al 
exponerse de manera directa al sol. Asimismo, son adecuados para preservar el color 
de algunos productos con alto grado de pigmentación, que también se ven severamente 
afectados en la exposición directa al sol. 
 
1.7.2. Secador tipo integral 
 
En el secador de tipo integral, también llamado secador solar pasivo directo, los 
productos son colocados en una cámara de secado con una cubierta superior 
transparente que permite la exposición al sol necesaria en el proceso de secado. De 
esta manera, la radiación solar incide directamente sobre el producto. El calor extrae la 
humedad de los productos, disminuyendo al mismo tiempo la humedad relativa del aire 
interior, lo que aumenta su capacidad de evacuación de vapor. 
 
 10 
Para la misma capacidad de carga, la construcción de los secadores solares integrales 
es más sencilla y menos costosa que la de los secadores de distribución. Sin embargo, 
los integrales tienen algunas desventajas, como el sobrecalentamiento localizado (que 
causa daños en la parte de los cultivos que está expuesta a la luz), o también que 
presentan tasas de secado relativamente lentas por su escasa capacidad de remoción 
del vapor. Para superar estas limitaciones puede emplearse una chimenea solar como 
en la Figura 4, que incrementa la fuerza que tiene la corriente de aire entrante, 
generando así una mayor velocidad de circulación de aire y, por tanto, una tasa de 
eliminación del vapor más rápida (Banout et al, 2005). 
 
 
Figura 4. Secador solar pasivo integral (Fuente: Banout et al, 2005) 
 
1.8. Aplicaciones, ventajas y desventajas. 
 
Según Suazo (1993), dentro de los diversos procesos en que se puede utilizar la 
energía solar, sobresale su aplicación en el secado de alimentos. Se encuentran así 
procesos que se han desarrollado para secar granos y semillas. Otro gran grupo es el 
de las frutas, tales como duraznos, chabacanos, uvas, manzanas, peras entre otros. 
Las hortalizas también han sido estudiadas. 
 
Se puede considerar que el secado utilizando la energía solar, en la mayoría de los 
casos es un proceso que se lleva a cabo a baja temperatura, menos de 60°C. 
 11 
El hecho de emplear temperaturas bajas, garantiza hasta cierto punto un menor daño 
en el alimento. Pero tratándose de componentes nutricionales importantes, puede 
tenerse un efecto negativo. Se ha encontrado que algunas vitaminas son 
particularmente sensibles a la radiación solar, como es el caso del ácido ascórbico y los 
carotenos. 
 
A diferencia del secado tradicional, las instalaciones para el secado solar pueden ser 
menos sofisticadas, sin una tecnología complicada y que más bien debe ser adecuada 
al caso. Comparado en el otro extremo, con el secado directo al sol, el secado solar 
ofrece las ventajas de ser más limpio y más rápido y reducir el efecto de la radiación 
sobre los compuestos importantes. Sin embargo, la principal desventaja es que se trata 
de energía difusa o de baja concentración. 
 
El secado resulta ser un proceso caro, pero se ha encontrado en muchos casos, que la 
energía solar puede ser suficiente para cubrir todo el proceso. También habrá casos en 
los que nunca alcance la temperatura necesaria para el procesamiento, requiriéndose 
entonces una fuente auxiliar de energía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 12 
2. JUSTIFICACIÓN 
 
En la actualidad existe un problema mundial de suministro de energía, dada la situación 
de una disminución de las fuentes convencionales de dondeera posible suministrarse 
de ella, entonces es necesario implementar la utilización de fuentes energéticas 
alternativas, y la energía solar es una de ellas, ofreciéndose con una enorme posibilidad 
de emplearla en distintos procesos, siendo por ejemplo el secado de distintos productos 
una de sus múltiples aplicaciones. Avocándose en este último rubro, el secado de 
frutas y hortalizas resulta ser uno de los más eficientes métodos de conservación para 
comunidades rurales en las que dependen de un cierto tiempo para la negociación de 
sus productos agrícolas, o en su defecto para el consumo propio de los ya 
mencionados productos vegetales. 
 
3. OBJETIVOS 
 
OBJETIVO GENERAL 
 
 Diseñar y construir un secador solar tipo invernadero. 
 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
 Desarrollar una secuencia de cálculo que permita estimar el tiempo de secado de 
frutas y hortalizas empleando la radiación solar. 
 Selección de los materiales para la construcción del secador solar tipo carpa. 
 Construcción del secador solar tipo carpa. 
 
 
 
 13 
4. METODOLOGÍA 
 
A partir del diseño de un secador tipo carpa de 12 m2 de área de secado reportado por 
Larrea (2004), se procedió a desarrollar una secuencia de cálculo a través de la cual es 
posible estimar ó predecir el tiempo en el cual una cierta cantidad de un producto 
determinado (fruta u hortaliza) pueda ser secado bajo determinadas condiciones 
utilizando la energía solar como fuente de calor y el aire en convección natural como 
acarreador de la humedad eliminada del alimento. 
 
Como producto de esta secuencia de cálculo y de la cantidad a secar se puede 
determinar las dimensiones de las charolas de los carros que contendrán el alimento a 
secar, y con esto sería posible estimar tanto el área superficial como la altura de la 
nave a construir, tomando como base el diseño de Larrea (2004); para fines de este 
trabajo no se alteraron las dimensiones del secador propuestas por el autor antes 
mencionado, con el propósito de que en un futuro sea posible comparar los resultados 
experimentales obtenidos empíricamente por Larrea (2004) y las experimentales 
propias de la UPIBI. 
 
Con los resultados anteriores fue posible elaborar una lista actualizada de todos y cada 
uno de los materiales que se necesitan para la construcción y operación del secador 
solar, así como de sus especificaciones para su cotización y compra: tipo de piso y 
acondicionamiento, estructura metálica, protección de la nave, estructura de soporte del 
material a secar, etc. 
 
Teniendo la lista de materiales y los dibujos con las dimensiones del secador se 
supervisaron las compras y su recepción bajo comprobación de las especificaciones 
requeridas, así como la construcción paso a paso hasta su terminación. 
 
 
 
 
 14 
5. DESARROLLO DE LA SECUENCIA DE CÁLCULO PARA LA ESTIMACIÓN DEL 
TIEMPO DE SECADO 
5.1. Definición de las constantes y variables del sistema 
 
Constantes del sistema (Mendoza et al, 2003; Treybal, 2000): 
 
A - Constante de la ecuación de Antoine para el 
intervalo de temperatura 1 – 100 °C. 8.07131 
B - Constante de la ecuación de Antoine para el 
intervalo de temperatura 1 – 100 °C. 1730.630 
C - Constante de la ecuación de Antoine para el 
intervalo de temperatura 1 – 100 °C. 233.426 
Cpa - Capacidad calórica del aire seco 1005 J / kgas K 
Cpss - Capacidad calórica del sólido seco (nopal) 1460 J / kgss K 
Cpw - Capacidad calórica del agua 4186 J / kgagua K 
Cv - Capacidad calórica del vapor de agua 1884 J / kgagua K 
Ma - Peso molecular del agua 18.02 kgagua /mol 
Mb - Peso molecular del aire 28.97 kgas / mol 
Pt - Presión de trabajo en la Cd. de México 0.796 atm 
To - Temperatura de referencia 273.15 K 
ρs - Densidad del sólido húmedo 894.833 kgsh / m
3 
ρw - Densidad del agua 1000 kgagua / m
3 
λo - Calor latente de vaporización a la T de referencia 2502300 J / kgagua 
 
Variables del sistema (Smith, 2003; Treybal, 2000; Zambrano et al, 1998): 
 
Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire 343.15 K 
Ti - Temperatura de bulbo húmedo del aire1 310.65 K 
Y11 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador1 0.028 kgagua / kgas 
λi - Calor latente de vaporización a la T de bulbo húmedo 2412900 J / kgagua 
 15 
z - Ancho de la charola2 1.21 m 
b - Distancia entre las charolas2 12.33 cm 
Lt - Longitud de la charola2 1 m 
x - Espesor de la torta2 9 * 10-3 m 
aos - Área ocupada de la charola por el sólido húmedo 0.9 
(área del sólido húmedo)/(área de la charola)3 
X1 - Humedad del sólido que entra al secador4 19 kgagua / kgss 
X2 - Humedad del sólido que sale del secador3 3.1 kgagua / kgss 
Xe - Humedad del sólido en el equilibrio5 3 kgagua / kgss 
Ts1 - Temperatura del sólido a la entrada3 298.15 K 
 
1 Obtenido del diagrama psicrométrico (Treybal, 2000) a la temperatura de bulbo seco. 
2 Reportado por Larrea (2004). 
3 Propuesto. 
4 Obtenido experimentalmente. 
5 Reportado por Zambrano et al (1998). 
 
 
5.2. Cálculo del tiempo de secado 
 
Por definición la velocidad de transferencia convectiva de calor es (Treybal, 2000): 
 
)(** TiTAhcq  ... Ec. 1 
donde: 
hc - Coeficiente de transferencia de calor (J / m2 s K). 
A - Superficie expuesta al secado (m2). 
T - Temperatura de secado (K). 
Ti - Temperatura de bulbo húmedo (K). 
q - Velocidad de transferencia convectiva de calor (J / s). 
 
 16 
El calor necesario para vaporizar el agua en la superficie del sólido puede expresarse 
como (Treybal, 2000): 
 
AiNq ** ... Ec. 2 
donde: 
N - Flux de agua evaporada (kgagua / m
2 s). 
λi - Calor latente de vaporización a la temperatura d bulbo húmedo (J / kgagua). 
A - Superficie expuesta al secado (m2). 
q - Velocidad de transferencia convectiva de calor (J / s). 
 
 
Así pues para un secador de bandejas, como se muestra en la Fig. 1, el calor total que 
llega a la superficie desde el aire se puede expresar como (Barbosa, 2005): 
 
tcTmlLtzaoshcQ *)(*)***2(*  ... Ec. 3 
donde: 
hc - Coeficiente de transferencia de calor (Wmezcla / m
2 K). 
aos - Área ocupada de la charola por el sólido húmedo, (área del sólido 
 húmedo)/(área de la charola). 
z - Ancho de las bandejas (m). 
Lt - Longitud de la charola (m). 
ΔTml - Media logarítmica de temperatura (K). 
tc - Tiempo de secado en el periodo de velocidad constante (s). 
Q - Calor que llega a la superficie desde el aire (J). 
 
La media logarítmica de temperatura que se refiere al promedio de la misma, y está 
definida como (Barbosa, 2005): 
 
 
 










TiTa
TiTa
TiTaTiTa
TiTTml ml
2
1
ln
)2(1
 ... Ec. 4 
 17 
donde: 
Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire a la entrada del secador (K). 
Ta2 - Temperatura de bulbo seco del aire a la salida del secador (K). 
ΔTml - Media logarítmica de temperatura (K). 
 
 
El calor necesario para pasar de una humedad del sólido X1h a Xch, en el periodo de 
velocidad constante, será (Barbosa, 2005): 
 
  )1(****** XchhXisaosxLtzQ   ... Ec. 5 
donde: 
z - Ancho de las bandejas (m). 
Lt - Longitud de la charola (m). 
x - Espesor de la torta (m). 
aos - Área ocupada de la charola por el sólido húmedo. 
ρs - Densidad del sólido húmedo (kgT / m
3
T). 
λi - Calor latente de vaporización a la temperatura de bulbo húmedo 
 (J / kgagua). 
X1h - Humedad del sólido que entra al secador en base húmeda (kgagua / kgT). 
Xch - Humedad crítica del sólido en base húmeda (kgagua / kgT). 
Q - Calor necesario para pasar de una humedad del sólido X1h a Xch (J). 
 
 18 
 
Fig. 5. Secador de bandeja (Fuente: Barbosa, 2005). 
 
Al igualar la Ec. 3 y la Ec. 5 y despejar tc se obtiene: 
 
 
Tmlhc
XchhXisx
tc



**2
1*** 
 ... Ec. 6 
 
El cálculo del tiempo de secado para el periodo de velocidaddecreciente se determina 
de la siguiente forma. Por definición la velocidad de secado es (Treybal, 2000): 
 
dt
dXh
A
Sh
N * ... Ec. 7 
 donde: 
Sh - Masa de sólido húmedo (kgT). 
A - superficie expuesta del sólido (m2). 
dXh/dt - Velocidad de secado (kgagua / s). La humedad está dada en base húmeda. 
N - Flux de agua evaporada (kgagua /m
2 s). 
 
O bien al igualar la Ec. 1 y la Ec. 2 y despejando N se obtiene: 
 
i
Tmlhc
N

)(* 
 ... Ec. 8 
 19 
donde: 
ΔTml - Media logarítmica de temperatura (K). 
 
Suponiendo que N es lineal (Treybal, 2000): 
 
bXhmN  * ... Ec. 9 
donde: 
m - Pendiente de la recta. 
Xh - Humedad del sólido en base húmeda (kgagua / kgT). 
b - Ordenada al origen de la recta. 
 
Al igualar la Ec. 7 y la Ec. 9 e integrando de t = 0 a t = td y de Xh = Xch a Xh = X2h se 
obtiene: 









bXchm
bhXm
mA
Sh
td
*
2*
ln*
*
 ... Ec. 10 
donde: 
td - Tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente. 
 
Como Nc = m * Xch + b y Ne = m * Xeh + b, al restar dichas ecuaciones, suponiendo 
que Ne = 0 (El subíndice e denota que las variables son tomadas en el punto de 
equilibrio, mientras el c que están en el punto crítico), y despejar m se obtiene que: 
 
XehXch
Nc
m

 ... Ec. 11 
donde: 
Nc - Flux de agua evaporada en el punto crítico (kgagua / m
2 s). 
Xch - Humedad en el punto crítico en base húmeda (kgagua / kgT). 
Xeh - Humedad en el punto de equilibrio en base húmeda (kgagua / kgT). 
 
Siguiendo el procedimiento usado para obtener la Ec. 11 pero ahora suponiendo N en 
un punto cualquiera (Xh < Xch y N < Nc) y Ne = 0 se llega a que N = m*(Xh – Xeh) -
 20 
donde m se encuentra definida en la Ec. 11-, al sustituir esta última, la Ec. 11 y la Ec. 8 
(Ec. 8 evaluada en el punto crítico) en la Ec. 10 se obtiene: 
 
 











XehXch
XehhX
TmlhcA
iXehXchSh
td
2
ln*
**
** 
 ... Ec. 12 
 
donde Sh = ρs*x*Lt*z*aos y A = Lt*z*2*aos, por lo tanto la Ec. 12 queda como: 
 
 











XehXch
XehhX
Tmlhc
iXehXchxs
td
2
ln*
**2
*** 
 ... Ec. 13 
 
Por último el tiempo total de secado está definido como: 
 
tdtcts  ... Ec. 14 
donde: 
ts - Tiempo total de secado (s). 
 
 
5.3. Cálculo de la humedad en base húmeda 
 
Para el cálculo de cualquier humedad del sólido en base húmeda se utiliza la siguiente 
ecuación (Treybal, 2000): 
 
1X
X
Xh

 ... Ec. 15 
donde: 
X - Humedad del sólido en base seca (kgagua / kgss). 
Xh - Humedad del sólido en base húmeda (kgagua / kgT). 
 
Y para cualquier humedad del aire en base húmeda se utiliza (Treybal, 2000): 
 
 21 
1Y
Y
Yh

 ... Ec. 16 
donde: 
Y - Humedad del aire en base seca (kgagua / kgas). 
Yh - Humedad del aire en base húmeda (kgagua / kgmezcla). 
 
 
5.4. Cálculo de la presión de vapor. Ecuación de Antoine 
 
La ecuación de Antoine permite calcular la presión de vapor del agua a una temperatura 
dada (dentro del intervalo de 1 – 100 °C), y ésta se define como (Perry, 2003): 
 
CT
B
AP

log ... Ec. 17 
donde: 
A - Constante de Antoine equivalente a 8 para el intervalo de temperatura 
 1 – 100 °C. 
B - Constante de Antoine equivalente a 1730 para el intervalo de temperatura 
 1 – 100 °C. 
C - Constante de Antoine equivalente a 233 para el intervalo de temperatura 
 1 – 100 °C. 
T - Temperatura a la que se desea obtener la presión de vapor (°C). 
P - Presión de vapor del agua a una determinada temperatura T (torr). 
 
 22 
5.5. Cálculo de la humedad del aire a la entrada del secador 
 
Para calcular la humedad del aire a la entrada del secador cuando la presión de trabajo 
es diferente a 1 atm, y por lo tanto no puede ser encontrada directamente en las cartas 
psicrométricas, se utiliza la siguiente corrección (Perry, 2003): 
 










PwPwPt
PwYY
760
11
**622.0111 ... Ec. 18 
donde: 
Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador a la presión de trabajo 
 en base seca (kgagua/kgas). 
Y11 - Humedad del aire a la entrada del secador a 1 atm en base seca, leída de 
 la carta psicrométrica (kgagua/kgas). 
Pw - Presión de vapor del agua a la temperatura de bulbo húmeda observada 
 en la carta psicrométrica (mmHg) 
Pt - Presión de trabajo en la Cd. de México (mmHg). 
 
 
5.6. Cálculo de volumen húmedo 
 
El volumen húmedo de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000): 
 
Pt
Ta
Ma
Y
Mb
Vh
1
*
11
*8315 





 ... Ec. 19 
 
donde: 
Vh - Volumen húmedo de la mezcla aire-agua (m3mezcla / kgas). 
Y1 - Humedad absoluta del aire corregida a la entrada del secador en base 
 seca (kgagua / kgas). 
Mb - Peso molecular del aire (kgaire / molaire). 
Ma - Peso molecular del agua (kgagua / molagua). 
 23 
Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire (K). 
Pt - Presión de trabajo en la Cd. de México (Pa). 
 
 
5.7. Cálculo de la densidad del aire 
 
La densidad de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000): 
 
Vh
Y11
ρa

 ... Ec. 20 
donde: 
Vh - Volumen húmedo de la mezcla aire-agua (m3mezcla / kgas). 
Y1 - Humedad absoluta del aire corregida a la entrada del secador en base 
 seca (kgagua / kgas). 
ρa - Densidad de la mezcla aire-agua (kgmezcla / m
3
mezcla). 
 
 
5.8. Cálculo del flujo másico de aire 
 
El flujo másico de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000): 
 
Va*ρaG  ... Ec. 21 
donde: 
Va - Velocidad del aire (m / s). 
ρa - Densidad de la mezcla aire-agua (kgmezcla / m
3
mezcla). 
G - Flux másico de aire (kgmezcla / m
2 s). 
 
 
 
 
 
 24 
5.9. Cálculo del diámetro equivalente 
 
El diámetro equivalente por donde pasa el flujo de aire de secado entre dos charolas, 
se define como cuatro veces el área de la sección transversal sobre el perímetro 
mojado, así pues (Barbosa, 2005): 
 
 bz*2
b*z*4
de

 ... Ec. 22 
donde: 
b - Distancia entre las bandejas (m). 
z - Ancho de las bandejas (m). 
de - Diámetro equivalente (m). 
 
 
5.10. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor 
 
El coeficiente de transferencia de calor para el flujo de gas paralelo a una superficie y 
confinado entre platos se define como (Treybal, 2000): 
 
290
710
*95
.
.
de
G
.hc  ... Ec. 23 
donde: 
de - Diámetro equivalente (m). 
G - Flux másico de aire (kgmezcla / m
2 s). 
hc - Coeficiente de transferencia de calor (Wmezcla / m
2 K). 
 
 
 
 
 
 
 25 
5.11. Cálculo del calor específico húmedo de la mezcla aire - agua 
 
El calor específico húmedo de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000): 
 
1*18841005 YCs  ... Ec. 24 
 
donde: 
Cs - Calor específico húmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgas K). 
Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador en base seca 
 (kgagua / kgas). 
 
 
Debido a que Cs tiene unidades de Jmezcla / kgas K, se realiza una corrección para 
cambiar las unidades a Jmezcla / kgmezcla K con la siguiente ecuación: 
 
)11(* hYCsCsm  ... Ec. 25 
donde: 
Cs - Calor específico húmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgas K). 
Y1h - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador en base húmeda 
 (kgagua / kgmezcla). 
Csm - Calor específico húmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgmezcla K). 
 
 
5.12. Cálculo de la masa de sólidos húmedos y secos 
 
La masa de sólidos húmedos se define como: 
 
aosxzLtsSh **** ... Ec. 26 
donde: 
ρs - Densidad del sólido húmedo (kgT / m
3
T). 
aos - Área ocupada de la charola por el sólido húmedo. 
 26 
z - Ancho de las bandejas (m). 
x - Espesor de la torta (m). 
Lt - Longitud de la charola (m). 
Sh - Masa de sólidos húmedos (kgT). 
 
La masa de sólidos secos se define como: 
X11
Sh
ss

 ... Ec. 27 
donde: 
X1 - Humedaddel sólido que entra al secador en base seca (kgagua / kgss). 
ss - Masa de sólidos secos (kgss). 
 
 
5.13. Cálculo de la densidad de sólido seco 
 
La densidad de una mezcla, es decir del sólido húmedo, está dada por: 
 
sssswws  **  ... Ec. 28 
donde: 
ρw - Densidad del agua (kgagua / m
3
agua). 
Φw - Fracción volumétrica del agua en el sólido húmedo (m3agua / m
3
T). 
ρss - Densidad del sólido seco (kgss / m
3
ss). 
Φss - Fracción volumétrica del sólido seco en el sólido húmedo (m3ss / m
3
T). 
ρs - Densidad del sólido húmedo (kgT / m
3
ss). 
 
La fracción volumétrica del agua en el sólido húmedo se define como: 
 
aos*Lt*x*z*ρw
ss*X1
Φw  ... Ec. 29 
 
 27 
Se sabe que Φss = 1 - Φw, al sustituir esta última y la Ec. 29 en la Ec. 28 y despejar 
ρss se obtiene que: 
Φw1
Φw*ρwρs
ρss


 ... Ec. 30 
 
 
5.14. Cálculo del contenido de humedad en el punto crítico 
 
El espesor de la torta cuando alcanza la humedad crítica, suponiendo que dicho 
espesor ya no disminuye cuando X < Xc (recordar que X2 < Xc), se define como: 
 
 
 X11*ρss
X21*ρs*x
xc


 ... Ec. 31 
donde: 
xc - Espesor de la torta cuando alcanza la humedad crítica (m). 
 
La humedad removida se define como: 
 
)(**** xcxaosLtzwar   ... Ec. 32 
donde: 
ar - Humedad removida (kgagua). 
 
La humedad remanente se define como: 
 
arshXaosLtxzap  *1**** ... Ec. 33 
 
donde: 
ap - Humedad remanente (kgagua). 
 
 
 
 28 
El contenido crítico de humedad se define como: 
 
  ρs*X1h1*aos*Lt*x*z
ap
Xc

 ... Ec. 34 
donde: 
Xc - Humedad crítica del sólido en base seca (kgagua / kgss). 
 
 
5.15. Cálculo de la temperatura del sólido a la salida del secador 
 
La temperatura del sólido a la salida del secador se propone que sea 10 K menor que 
Ta2, quedando: 
 
KTaTs 1022  ... Ec. 35 
donde: 
Ts2 - Temperatura del sólido a la salida del secador (K). 
 
 
5.16. Cálculo de las entalpías 
 
La entalpía de los sólidos a la entrada del secador se define como (Mendoza et al, 
2003): 
 
   ToTs*Cpw*XToTsCpss*hs  1111 ... Ec. 36 
donde: 
Cpss - Capacidad calórica del sólido seco (J / kgss K). 
Cpw - Capacidad calórica del agua (J / kgagua K). 
Ts1 - Temperatura del sólido a la entrada del secador (K). 
To - Temperatura de referencia (K). 
X1 - Humedad del sólido a la entrada del secador (kgagua / kgss). 
hs1 - Entalpía del sólido a la entrada del secador (J / kgss). 
 29 
La entalpía de los sólidos a la salida del secador se define como (Mendoza et al, 2003): 
 
   ToTs*Cpw*XToTsCpss*hs  2222 ... Ec. 37 
 
donde: 
Cpss - Capacidad calórica del sólido seco (J / kgss K). 
Cpw - Capacidad calórica del agua (J / kgagua K). 
Ts2 - Temperatura del sólido a la salida del secador (K). 
To - Temperatura de referencia (K). 
X2 - Humedad del sólido a la salida del secador (kgagua / kgss). 
hs2 - Entalpía del sólido a la salida del secador (J / kgss). 
 
La entalpía del aire a la entrada del secador se define como (Mendoza et al, 2003): 
 
    1111 λo*YToTa*Cv*YCpaHa  ... Ec. 38 
donde: 
Cpa - Capacidad calórica del aire seco (J / kgas K). 
Cv - Capacidad calórica del vapor de agua (J / kgagua K). 
Ta1 - Temperatura del aire a la entrada del secador (K). 
To - Temperatura de referencia (K). 
λo - Calor latente de vaporización a la T de referencia (J / kgagua). 
Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador (kgagua/kgas). 
Ha1 - Entalpía del aire a la entrada del secador (J/kgas). 
 
La entalpía del aire a la entrada del secador se define como (Mendoza et al, 2003): 
 
    2222 λo*YToTa*Cv*YCpaHa  ... Ec. 39 
donde: 
Cpa - Capacidad calórica del aire seco (J / kgas K). 
Cv - Capacidad calórica del vapor de agua (J / kgagua K). 
Ta2 - Temperatura del aire a la salida del secador (K). 
 30 
To - Temperatura de referencia (K). 
λo - Calor latente de vaporización a la T de referencia (J / kgagua). 
Y2 - Humedad absoluta del aire a la salida del secador (kgagua/kgas). 
Ha2 - Entalpía del aire a la salida del secador (J/kgas). 
 
 
5.17. Cálculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador 
 
Para el cálculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador se realiza los 
balances de materia y de calor. 
 
El balance de materia en el secador queda como: 
 
)12(*)21(* YYGmXXFm  ... Ec. 40 
donde: 
Fm - Flujo de sólidos secos a la entrada (kgss / s). 
Gm - Flujo de aire seco a la entrada (kgas / s). 
 
El balance de calor en el secador es: 
 
)12(*)21(* HaHaGmhshsFm  ... Ec. 41 
donde: 
hs1 - Entalpía del sólido a la entrada del secador (J / kgss). 
hs2 - Entalpía del sólido a la salida del secador (J / kgss). 
Ha1 - Entalpía del aire a la entrada del secador (J / kgas). 
Ha2 - Entalpía del aire a la salida del secador (J / kgas). 
 
Al sustituir la Ec. 39 en la Ec. 41 e igualarla con la Ec. 40 y despejar Y2 se obtiene: 
 
      
    21212
1212121
2
XX*λoToTaCv*hshs
hshs*YXX*ToTaCpa*Ha
Y


 ... Ec. 42 
 31 
La presión parcial del agua se define como (Treybal, 2000): 
 
Mb*Y2Ma
Mb*Pt*Y2
PA

 ... Ec. 43 
donde: 
Pt - Presión de trabajo en la Cd. de México (Pa). 
Ma - Peso molecular del agua (kgagua /mol). 
Mb - Peso molecular del aire (kgas / mol). 
Y2 - Humedad absoluta del aire a la salida del secador (kgagua/kgas). 
PA - Presión parcial del agua (Pa). 
 
El porciento de humedad relativa se define como (Treybal, 2000): 
 
100*
Po
PA
HR  ... Ec. 44 
donde: 
PA - Presión parcial del agua (Pa). 
Po - Presión de vapor del agua a la temperatura del aire a la salida del secador 
 (Pa). 
HR - Porciento de humedad relativa (%). 
 
 
5.18. Cálculo de la velocidad del aire 
 
El flujo de sólidos secos a la entrada del secador, suponiendo que no fuera un proceso 
en lote si no en continuo, está definido como: 
ts
ss
Fm  ... Ec. 45 
donde: 
ss - Masa de sólidos secos (kgss). 
ts - Tiempo total de secado (s). 
Fm - Flujo de sólidos secos a la entrada (kgss / s). 
 32 
El flujo de aire seco a la entrada, necesario para secar el flujo de sólidos Fm, se obtiene 
al despejar Gm de la Ec. 40, quedando: 
 
12
21
*
YY
XX
FmGm


 ... Ec. 46 
 
 
La velocidad del aire se determina con la siguiente ecuación: 
)11(*** hYzba
Gm
Va



 ... Ec. 47 
 
 
Para obtener el valor definitivo de la velocidad del aire (Va) es necesario seguir los 
siguientes pasos (Fig. 6). 
1. Se propone un valor inicial cualquiera de Va’, que se sustituye en la Ec. 21 para 
determinar el flux de la mezcla aire-agua (G). 
2. Con el valor de G se calcula el coeficiente de transferencia de calor (hc), Ec. 23. 
3. Con el valor de hc se determinan los tiempos de secado en los periodos de 
velocidad constante y decreciente (Ec. 6 y Ec. 13 respectivamente), y con ellos el 
tiempo total de secado (ts). 
4. Al sustituir ts en la Ec. 45 se obtiene el flujo de sólidos secos (Fm). 
5. Con la Ec. 46 se obtiene el flujo de aire seco necesario para secar Fm. 
6. Con la Ec. 47 se obtiene un nuevo valor Va, el cual se compara con Va’ del paso 
(1), si coincide se ha determinado ya el valor Va definitivo, de no ser así se itera 
con el nuevo Va encontrado, regresando al paso (1), hasta que se logre. 
 
 
 
 
 
 
 
 33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 No 
 
 
 Si 
 
 
 
 
 
Figura 6. Diagrama de flujo para el determinar el valor definitivo de Va. 
 
 
Propuesta de Va’ 
Variables y 
constantes del 
sistema aire-agua 
 
Cálculo de G 
 
Variables y 
constantes de la 
alimentación 
 
Cálculo de ts 
 
Cálculo de Fm 
Cálculo de Gm 
 
Cálculo Va 
 
Se propone 
Va’ = Va y se 
reinicia el 
cálculo 
 
Va definitivo 
 
Cálculo de hc 
Considerando 
Va’ = VaCálculo de tc y td 
ss 
 34 
5.19. Cálculo del flujo de calor total necesario para secar los sólidos dispuestos 
en las charolas 
 
El flujo de calor total necesario para secar los sólidos dispuestos en las charolas, 
proviene del balance total de calor y se define como: 
 
ncharTiTaCvXXFm
TiTsCpwXFmiXXFm
TsTiCpwXFmTsTsCpssFmQt
*)]2(**)21(*
)2(**2**)21(*
)1(**1*)12(**[



 … Ec. 48 
 
donde: 
Qt - Flujo de calor total necesario para secar los sólidos dispuestos en las 
 charolas (J / s). 
Fm - Flujo de sólidos secos a la entrada (kgss / s). 
Cpss - Capacidad calórica del sólido seco (J / Kgss * K). 
Ts1 - Temperatura del sólido a la entrada del secador (K). 
Ts2 - Temperatura del sólido a la salida del secador (K). 
Ti - Temperatura de bulbo húmedo (K). 
Cpw - Capacidad calórica del agua (J / kgagua K). 
X1 - Humedad del sólido a la entrada del secador (kgagua / kgss). 
X2 - Humedad del sólido a la salida del secador (kgagua / kgss). 
λi - Calor latente de vaporización a la T de bulbo húmedo (J / kgagua). 
Cv - Capacidad calórica del vapor de agua (J/ kgagua * K). 
nchar - Número de charolas en el secador (12). 
 
 
Considerando que el promedio de insolación en la Cd. de México (Suazo, 2007) es de 
400 W / m2, y que el área superficial del secador es de 16 m2, es posible calcular el 
flujo de calor que puede ser obtenido del sol como fuente de energía, quedando: 
 
Wm
m
W
Qsol 6400)16(*)400( 2
2
 … Ec. 49 
 35 
donde: 
 Qsol - Flujo de calor obtenido del sol como fuente de energía (J / s). 
 
De tal forma que el flujo de calor necesario para secar los sólidos debe ser menor que 
el flujo de calor suministrado por el sol, es decir: 
 
QtQsol  … Ec. 50 
 
 
 
6. PLANOS DEL SECADOR SOLAR 
 
Según el maestro Sergio Larrea los planos para la construcción de un secador de 12m2 
son los siguientes: 
 
Figura 7. Componentes principales del secador (Fuente: Larrea, 2004) 
 
El firme de la figura 7 puede ser de concreto delgado, adoquín, loseta, piedra y otros; se 
pinta con recubrimiento asfáltico negro dentro de la carpa y cubo. 
 
 36 
La chimenea es de lámina galvanizada o PVC hidráulico de una longitud de 3 m 
mínimo, sostenido sobre el cubo con base y retenida con cuatro tensores, además lleva 
una puerta de dos hojas. 
 
 
Figura 8. Perspectiva de la estructura del secador (Fuente: Larrea, 2004) 
 
La figura 8 muestra una perspectiva de la herrería que conforma el armazón de la carpa 
con las cabrillas, así como la perspectiva del cubo, ambos componentes estarán 
unidos y fijos al suelo para evitar movimientos generados por el aire, de hecho es 
posible desmontarlos. 
 
 
Figura 9. Unión de estructura con la tela (Fuente: Larrea, 2004) 
 37 
La estructura en contacto con la tela plástica se cubre con tiras de la misma para evitar 
que se queme y raje. La tela se pega con una flama de encendedor o cautín. 
 
 
Figura 10. Planta del secador (Fuente: Larrea, 2004) 
 
Es posible aprecias las dimensiones del secador desde una vista superior como en la 
figura 10, de hecho el área de la carpa donde se llevará a cabo el secado propiamente 
dicho ocupa un área de 16m2 adicionando a éste el área del cubo que es de 1m2. 
 
En la Figura 11 se muestra la cabrilla frontal en donde están ubicadas unas “puertas” 
corredizas o con bisagras que tienen la función de ventilas en el secador y que permitan 
la entrada de aire nuevo, además que por la parte interna de las ventilas esta colocada 
una tela de mosquitero que impedirá la entrada de insectos y basura cuando las 
ventilas estén abiertas. 
 
 38 
 
Figura 11. Cabrilla frontal (Fuente: Larrea, 2004) 
 
 
Figura 12. Cabrilla común (4 iguales y tres intermedias) (Fuente: Larrea, 2004) 
 
 
Las cabrillas como la de la figura 12 van a conformar el armazón del secador y estas 
estarán unidas por un larguero en la parte superior que a su vez estará ya en contacto 
con la tela plástica que será polietileno. 
 
 
 39 
 
Figura 13. Cubo con chimenea (Fuente: Larrea, 2004) 
 
El cubo como el la figura 13, estará hecho de policarbonato celular, cabe mencionar 
que este material es actualmente utilizado en muchos prototipos o invernaderos en 
forma, además es un material que es resistente y acumula calor por efecto de la 
radiación solar, la chimenea es de 4m y será de tubo PVC. 
 
 
Figura 14. Base para carro de secado (dos iguales) (Fuente: Larrea, 2004). 
 40 
El secador está diseñado para albergar a dos carros con bases como las de la Figura 
14 que a su vez estarán sobre estas los marcos con malla como los de la Figura 15 que 
son apilables y fáciles de desmontar para la carga y descarga del producto al inicio y al 
final del proceso de secado. 
 
 
Figura 15. Rejilla de secado (12 iguales) (Fuente: Larrea, 2004). 
 
La lista de materiales actualizados requeridos para la construcción del secador solar 
tipo carpa de 12 m2 se presenta en el Cuadro 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 41 
Cuadro 2. Listado de materiales para la construcción del secador solar 
 
Material Costo por unidad No. de unidades Costo total 
Angulo de ¾” x 1/8” $ 62.61 la pza. 16 pzas. $ 1001.76 
Angulo 1” x 1/8” $ 79.14 la pza. 4 pzas. $ 316.56 
Solera de ½” x 1/8” $ 30.44 la pza. 21 pzas. $ 639.24 
Solera de 2” x ¼” $ 185.22 la pza. 1 pza. $ 185.22 
Solera 1” x 3/16” $ 69.57 la pza. 1 pza. $ 69.57 
T de 1” $ 107.83 la pza. 1 pza. $ 107.83 
Cuadrado tubular ¾” x ¾” $ 60.01 la pza. 13 pzas. $ 780.13 
Solera ¾” x 3/16” $ 53.05 la pza. 1 pza. $ 55.05 
Tela de mosquitero 1.20 m $ 28.70 el metro 2 m $ 57.40 
Tubo de lámina galvanizada de 90 
cm de largo de 8” de diámetro 
$ 130 la pza. 5 pzas. $ 650.00 
Capuchón de 8” $ 80 la pza. 1 pza. $ 80.00 
Tensor con tornillo de 3/8” x 4” $ 32.50 la pza. 4 pzas. $ 130.00 
Soldadura de 3/32” $ 28.70 el kg 5 kg $ 143.50 
Remaches pop 5/32” x ½” $ 16.53 el ciento 600 $ 99.18 
Pijas ½” x 3/16” $ 17 el ciento 100 $ 17.00 
Pijas 1” x 3/16” $ 25.50 el ciento 100 $ 25.50 
Rondanas 3/16” $ 20 el kg 1 kg $ 20.00 
Ruedas fijas 5” con barreno de 3/8” $ 55 la pza. 4 pzas. $ 220.00 
Ruedas locas 5” con barreno de 3/8” $ 59 la pza. 4 pzas. $ 236.00 
Tela de polietileno anti UV, calibre 
720 p/invernadero de 
 8.2 m de ancho 
$84 el m 6 m $ 504.00 
Malla gallinera cuadro chico $12 el m 30 m $ 360.00 
Lamina de policarbonato celular de 
1.22 m x 7.32 m 
$ 155 el m
2
 9 m
2
 $ 1395.00 
Lámina de fibra de vidrio plana 
traslucida de 1.22 m x 2.44 m 
$ 110 el m
2
 3 m
2
 $ 330.00 
Varilla de cortinero de 2 m $ 15 la pza. 8 pzas. $ 120.00 
Coples para cortinero $ 4 la pza. 4 pzas. $ 16.00 
Alambre galvanizado calibre 12 $ 33 el kg 1 kg $33.00 
Anticorrosivo rojo óxido $ 67.50 el lt 2 lt $135.00 
 Total $ 7724.94 
 
 42 
 
Figura 16. Rejillas apiladas 
 
 
Figura 17. Estructura metálica con carros dentro 
 
 43 
 
Figura 18. Parte norte del secador 
 
 
 
 (a) (b) 
Figura 19. Parte sur del secador 
 
 
 
 44 
 
Figura 20. Ruta de carga y descarga de los carros 
 
 
Figura 21. Secador solar tipo carpa construido
 45 
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
Debido a que la memoria de cálculo para estimar el tiempo de secado se hizo previa a 
la construcción del secador, no fue posible de momento obtener datos experimentales 
que validen las estimaciones de tiempo obtenidas, así que se compararon valores de 
tiempo de secado (ts) y velocidades del aire (Va) reportados en la literatura para el 
secado de zanahoria (en el Cuadro 2 se muestran las propiedades de la zanahoria) con 
los estimados, de tal forma que al coincidir dichos valores se determinara la 
temperatura de salida del aire (Ta2) y proponer ésta para estimar el tiempo de secado 
del nopal. 
 
Cuadro 3. Propiedades de la zanahoria. 
Cpss - Capacidadcalórica del sólido seco (zanahoria) 1217.5454 J / kgss K 
ρs - Densidad del sólido húmedo 998.9875 kgsh / m
3 
x - Espesor de la torta 0.01 m 
X1 - Humedad del sólido que entra al secador 10.2359 kgagua / kgss 
X2 - Humedad del sólido que sale del secador 0.1074 kgagua / kgss 
Xe - Humedad del sólido en el equilibrio 0.1 kgagua / kgss 
 
Suazo (1993) y Suvarnakuta et al (2007) 
 
Para determinar la Ta2 que será usada en la memoria de cálculo para el nopal, se 
proponen diferentes Ta2 para la zanahoria y se comparan los valores obtenidos de Va y 
ts con los reportados en la literatura de tal forma que si estos coinciden se elige el Ta2 
correspondiente. 
 
Suazo (1993) reporta que el secado de cubos de zanahoria, de 1 cm de lado, de X1 = 
10.2359 kgagua / kgss a X2 = 0.1074 kgagua / kgss requiere de un tiempo de secado 9 
horas y las velocidades del aire son de 0.9 – 1.1 m/s, utilizando estos valores en la 
memoria de cálculo planteada se determinó que a una temperatura de salida del aire 
 46 
(Ta2) de 65.3 °C la velocidad del aire (Va) es de 1.0465 m/s y el tiempo de secado es 
de 11.2796 horas. 
 
Ya que los datos calculados para el secado de la zanahoria son aproximados a los 
reportados por Suazo, se utilizó la Ta2 de 65.3 °C para estimar el tiempo de secado del 
nopal, los resultados se muestran en el Cuadro 3. 
 
Cuadro 4. Resultados obtenidos para el secado del nopal utilizando los datos de las 
constantes y variables, así como la memoria de cálculo planteada en la sección. 
 
Temperatura del aire 
a la salida (Ta2) 
Velocidad del aire 
(Va) 
Tiempo de secado 
(ts) 
65.3°C 0.629 m/s 9.136 hr 
 
 
 
Por otro lado el flujo de calor total (Qt) necesario para secar 95 kg de nopal es 6318.1 
J/s, el cual es menor que el calor obtenido del sol como fuente de energía (Qsol = 
6400J/s), es decir, que es posible realizar exitosamente el secado de nopal en el 
secador tipo carpa de dimensiones como las planteadas en el presente trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 47 
8. CONCLUSIONES 
 
- Se realizó una secuencia de cálculo que permite estimar el tiempo de secado de 
cualquier fruta u hortaliza bajo las condiciones presentes en un secador solar tipo 
carpa. 
 
- Usando la secuencia de cálculo se estimó un tiempo de secado de 11.3 h para la 
zanahoria y de 9.1 h para el nopal. 
 
- Se construyó un secador solar tipo carpa de 12 m2 de área superficial, con 
capacidad aproximada para secar 95 kg de nopal. 
 
- Ya que el flujo de calor total (Qt) necesario para secar 95 kg de nopal es menor 
que el calor obtenido del sol como fuente de energía (Qsol ), es posible realizar 
exitosamente el secado de nopal en el secador tipo carpa construido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 48 
9. PERSPECTIVAS 
 
 
Los alcances del presente trabajo fueron la construcción del secador solar tipo carpa y 
la elaboración de una secuencia de cálculo para la estimación del tiempo de secado del 
nopal, pero para validar dicha secuencia es fundamental llevar a cabo la caracterización 
del secador, para ello será necesario la colocación de instrumentos de medición de 
temperatura, humedad del aire, velocidad del aire, radiación solar, lo cual pudiera dar 
lugar a otro proyecto o a la continuación de este mismo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 49 
10. BIBLIOGRAFÍA 
 
Banout J.; Ehl, P., Lojka B.; Lojkova J.; Polesny Z. 2005. Uso de secadores 
solares para el procesamiento de cultivos en la amazonia peruana. 
Revista de Agroecología 21. Disponible en: 
http://latinoamerica.leisa.info/index.php?url=show-blob-
html.tpl&p%5Bo_id%5D=75445&p%5Ba_id%5D=211&p%5Ba_seq%5D=1 (fecha de 
consulta. 17 de sep de 2007) 
 
Barbosa-Cánovas, G. V.; Ibartz, A. 2005. Operaciones unitarias en la Ingeniería de 
Alimentos. Ediciones Mundi-Prensa, España. 865 p. 
 
Dalpasquale, V. A.; Marcal de Queiroz, D.; Marques Pereira, J. A.; Sinicio, R. 1991. 
Secado natural. En: Secado de Granos: Natural, Solar y a Bajas Temperaturas. 
Oficina Regional de la FAO para America Latina y El Caribe. Santiago, Chile. 
Disponible en: http://www.fao.org/docrep/x5058S/x5058S03.htm (Fecha de 
consulta: 13-enero-2007). 
 
EPSEA. 2007. Secado Solar de Alimentos. En: Asociación de Energía Solar de El 
Paso. El Paso, Tx., USA. Disponible en: 
http://www.epsea.org/esp/alimentos.html (fecha de conculta: 26-sep-2007). 
 
Kitinoja, L. y Kader, A. 1996. Manual de prácticas de manejo de poscosecha de los 
productores hortofrutícolas a pequeña escala. Departamento de Pomología. 
Universidad de California. Davis, Ca. USA. Disponible en: 
http://www.fao.org/Wairdocs/X5403S/x5403s0d.htm#equipos%20de%20procesado 
(fecha de consulta ). 
 
Larrea, S. 2004. El Arte de la Manufactura de Secadores Solares. Edición 
auspiciada por Círculo especial Psicopedagógico A.C. México. 8 p. 
 
http://latinoamerica.leisa.info/index.php?url=show-blob-html.tpl&p%5Bo_id%5D=75445&p%5Ba_id%5D=211&p%5Ba_seq%5D=1
http://latinoamerica.leisa.info/index.php?url=show-blob-html.tpl&p%5Bo_id%5D=75445&p%5Ba_id%5D=211&p%5Ba_seq%5D=1
http://www.fao.org/docrep/x5058S/x5058S03.htm
http://www.epsea.org/esp/alimentos.html
http://www.fao.org/Wairdocs/X5403S/x5403s0d.htm#equipos%20de%20procesado
 50 
Larrea, S. 2004. El Arte del Secado Solar de Frutas y Hortalizas, Edición del Autor. 
México. 35 p. 
 
Mendoza, N.; Romo, M.T.; Serratos, I. 2003. Dimensionamiento y Construcción de 
un Secador por Aspersión de Nivel Laboratorio. Tesis Profesional. Ingeniería 
En Alimentos. UPIBI. IPN. México. 120 p. 
 
Perry, R.; Green, D., 2003, “Manual del Ingeniero Químico”, Editorial Mc Graw Hill, 
España. 
 
Suazo Abarca, S.; 1993. Diseño y Construcción de un Secador Solar Piloto, Tesis de 
Maestría. Depto. de Graduados e Investigación en Alimentos. ENCB, IPN, 
México. pp 5, 30-36, 47. 
 
Suazo, S.; Pichardo, A.; Dorantes, S.; Robledo, I. 2007. “Diseño de un equipo solar 
para secado y otras aplicaciones”. 
 
Suvarnakuta, P.; Devahastin, S.; Mujumdar, A. 2007. “A mathematical model for low-
pressure superheated steam drying of a biomaterial”. Chemical Engineering 
and processing 46 p. 675-683. 
 
Romo, S.; Balaña, M. 2007. Secado solar. En: Aplicaciones de la Energía Solar. 
Disponible en : http://www.quimica.urv.es/~w3siiq/DALUMNES/99/siiq51/Seca.html 
(fecha de consulta 19-sep-2007). 
 
Treybal, R. E. 2000. Operaciones Unitarias de Transferencia de Masa. Editorial Mc 
Graw Hill. México. 858 p 
 
Zambrano, M. L.; Hernández, A. D.; Gallardo, Y. 1998. Temas en Tecnología de 
Alimentos. Volumen 2. Fibra dietética. Capítulo 3 Caracterización fisicoquímica 
del nopal, Instituto Politécnico Nacional, México.G 
http://www.quimica.urv.es/~w3siiq/DALUMNES/99/siiq51/Seca.html