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Thermal Performance and Drying Characteristics of a Solar Assisted Refractance Window Dryer Based on CFD Simulation and Experimental Validation

Este estudio valida un sistema de secado por ventana de refractancia asistido por energía solar mediante la combinación de simulación CFD y pruebas experimentales, demostrando que las configuraciones híbridas reducen significativamente el tiempo de secado y mejoran la eficiencia energética al tiempo que mantienen la calidad del producto para productos agrícolas sensibles al calor.

Autores originales: Gayatri Surendra Patil, K. R. Patil

Publicado 2026-09-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Gayatri Surendra Patil, K. R. Patil

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Preservar los alimentos eliminando su agua es uno de los trucos más antiguos de la humanidad para evitar que las cosechas se echen a perder. Durante siglos, las personas han dependido del sol y el viento para secar frutas, verduras y granos, un método que no requiere combustible pero que deja los alimentos vulnerables al polvo, los insectos y el clima irregular. Si bien las máquinas modernas pueden secar los alimentos de forma rápida y segura, a menudo demandan enormes cantidades de electricidad o combustibles fósiles, lo que eleva los costos y las emisiones de carbono. El desafío para los científicos es encontrar una forma de secar los alimentos que sea rápida y segura, pero también lo suficientemente suave como para mantener intactos los nutrientes y lo suficientemente barata como para funcionar con energía renovable. Aquí es donde entra en escena una técnica llamada secado por ventana de refractancia. En lugar de bombardear la comida con aire caliente, este método hace flotar una fina capa de alimento sobre una película transparente que se asienta sobre un canal de agua caliente. El calor viaza a través de la película hacia el alimento, secándolo rápidamente sin que la comida toque nunca el agua ni se queme por llamas directas.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron mejorar este suave método de secado combinándolo con la energía solar y probándolo con la ayuda de potentes simulaciones por computadora. Querían ver si podían diseñar un sistema que utilizara el sol para calentar el agua, y si podían ajustar el diseño para que el secado fuera aún más rápido y uniforme. Para ello, construyeron un prototipo físico de un secador asistido por solar y crearon un modelo computacional tridimensional detallado de cómo se mueven el calor y el aire en su interior. El equipo probó tres versiones diferentes de la máquina: una versión estándar que depende solo del agua caliente, una segunda versión que añade un calentador de infrarrojos suplementario sobre la comida, y una tercera versión que combina el calentador de infrarrojos con un intercambiador de calor para extraer la humedad de manera más eficiente. Realizaron experimentos utilizando rodajas de papa, un alimento de prueba común, a varias temperaturas de agua y velocidades de banda para ver qué tan rápido salía el agua de las rodajas y cómo se desempeñaban las diferentes máquinas.

El modelo computacional, que rastreaba el flujo de aire y la propagación del calor dentro de la cámara de secado, reveló que el sistema crea una temperatura muy uniforme en todo el alimento. El agua caliente debajo de la película mantuvo la superficie del área de secado estable alrededor de los 60 grados Celsius, una temperatura lo suficientemente alta para secar el alimento rápidamente pero lo suficientemente baja como para proteger las vitaminas y sabores delicados. La simulación mostró que el aire dentro de la cámara se mueve en una corriente ascendente natural, transportando el aire húmedo lejos del alimento y reemplazándolo con aire fresco, lo que ayuda a que el proceso de secado continúe sin problemas. Cuando los investigadores compararon las predicciones de la computadora con sus mediciones del mundo real, los números coincidieron estrechamente, con el modelo desviándose solo unos 5 grados Celsius como máximo. Esto confirmó que el modelo computacional era una herramienta confiable para entender cómo funciona la máquina sin necesidad de construir y probar cada variación posible a mano.

Las pruebas del mundo real demostraron que el secador solar estándar funcionaba bien, pero las versiones modificadas eran significativamente mejores. La versión con solo el calentador de infrarrojos adicional secó las rodajas de papa un 18 por ciento más rápido que el modelo estándar. La versión más avanzada, que combinaba el calentador de infrarrojos con el intercambiador de calor, redujo el tiempo de secado en un 37 por ciento. En el escenario más rápido, utilizando la máquina más avanzada con agua muy caliente, el sistema eliminó la humedad a un ritmo de 22 gramos por minuto, en comparación con solo 13.2 gramos por minuto para la configuración estándar bajo las mismas condiciones. Los investigadores descubrieron que la temperatura del agua caliente tenía el mayor impacto en la velocidad; elevar la temperatura del agua de 82 a 98 grados Celsius redujo el tiempo de secado a la mitad. Si bien mover la comida más rápido a través de la máquina reducía el tiempo que pasaba secándose, también significaba que el alimento tenía menos tiempo para perder agua, por lo que la velocidad general de la banda era un equilibrio entre capacidad y eficiencia.

Más allá de la velocidad, el estudio destacó que este enfoque es un fuerte candidato para el procesamiento de alimentos sostenible. El sistema logró una eficiencia térmica de entre el 35 y el 40 por ciento, la cual es mucho más alta que el secado solar al aire libre tradicional o incluso que muchos secadores solares de gabinete convencionales. Debido a que el calor se transfiere de manera tan uniforme y la comida nunca se calienta demasiado, se espera que el producto seco conserve más su color natural, sabor y compuestos beneficiosos para la salud que los alimentos secados por otros métodos. Los investigadores concluyeron que, al utilizar la energía solar para calentar el agua y refinar el flujo de aire y los elementos de calentamiento, han creado un sistema de secado que no solo es eficiente energéticamente, sino también suave con el alimento. Esta tecnología ofrece un camino prometedor para que los agricultores y los pequeños procesadores de alimentos reduzcan el desperdicio y preserven sus cosechas utilizando el sol, convirtiendo un simple principio físico en una herramienta práctica para un futuro más sostenible.

Resumen Técnico: Rendimiento Térmico y Características de Secado de un Secador de Ventana de Refractancia Asistido por Energía Solar

Planteamiento del Problema
El secado sigue siendo una de las operaciones que más energía consume en el procesamiento de alimentos, lo que a menudo requiere un equilibrio entre la eficiencia energética y la preservación de la calidad del producto. Si bien el secado al sol abierto es común en las naciones en desarrollo debido a sus bajos costos, este sufre de condiciones ambientales incontrolables, lo que deriva en tiempos de procesamiento prolongados, contaminación y un deterioro significativo de las propiedades nutricionales y sensoriales. Las tecnologías de secado convencionales suelen fallar al proporcionar una distribución de calor uniforme, lo que resulta en una eliminación desigual de la humedad y variaciones en la calidad. Además, existe la necesidad de métodos de secado que utilicen energía renovable para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero, procesando eficazmente productos agrícolas sensibles al calor. Aunque el Secado por Ventana de Refractancia (RWD, por sus siglas en inglés) ha mostrado ser prometedor como una técnica de cuarta generación para materiales sensibles al calor, existe una investigación limitada sobre la evaluación combinada de sistemas RWD asistidos por energía solar desde perspectivas tanto de termofluidos como de sostenibilidad, particularmente en lo que respecta a la interacción entre la entrada térmica solar, la circulación de agua, la transferencia de calor de la membrana y la distribución del flujo de aire.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque dual que combina la simulación de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con la validación experimental para diseñar y evaluar un sistema RWD asistido por energía solar.

Diseño del Sistema: El sistema propuesto integra cuatro subsistemas: un colector térmico solar (que utiliza una configuración de 500 W alimentada por PV para calentar agua a 90–95 °C), una unidad de almacenamiento y circulación de agua caliente, una cámara de secado con una membrana transparente de Mylar (o EVA) y un canal de flujo de aire por convección natural. Se evaluaron tres configuraciones: RWD Convencional (CRWD), Sistema RWD Híbrido 1 (HRWD 1, añadiendo calentamiento por infrarrojos) y Sistema RWD Híbrido 2 (HRWD 2, combinando calentamiento por infrarrojos con un intercambiador de calor).
Configuración Experimental: Los experimentos se realizaron utilizando rodajas de papa (2 mm de espesor) como material de prueba. El sistema utilizó un baño de agua de acero inoxidable (capacidad de 15 L) con temperaturas de agua que oscilaron entre 82 °C y 98 °C y velocidades de banda de 0.8 a 2.0 m/min. La temperatura se monitoreó mediante termopares PT-100, y las tasas de eliminación de humedad (MRR) se calcularon basándose en la pérdida de masa a lo largo del tiempo.
Modelado CFD: Se desarrolló un modelo CFD tridimensional transitorio utilizando ANSYS Fluent. El dominio incluyó el espacio de aire, la membrana y el canal de agua caliente. El modelo resolvió ecuaciones acopladas de continuidad, cantidad de movimiento (Navier-Stokes con aproximación de Boussinesq para convección natural), energía y transporte de especies. Se utilizó un modelo de turbulencia $k-\epsilon$ estándar. La independencia de la malla fue verificada y el modelo fue validado contra los datos experimentales de temperatura.

Contribuciones Clave

Desarrollo de un Modelo CFD Validado: El estudio desarrolló con éxito un modelo CFD 3D capaz de predecir la transferencia de calor acoplada y las características del flujo de aire dentro de una cámara RWD asistida por energía solar. El modelo demostró una desviación de temperatura máxima de aproximadamente 5 °C en comparación con los datos experimentales, confirmando su fiabilidad como herramienta de diseño.
Evaluación de Configuraciones Híbridas: La investigación introdujo y probó dos configuraciones híbridas (HRWD 1 y HRWD 2) frente a un sistema RWD convencional. Cuantificó las ganancias de rendimiento específicas logradas mediante la integración de calentamiento por infrarrojos suplementario e intercambiadores de calor.
Análisis Térmico y de Flujo: El estudio proporcionó información detallada sobre el comportamiento térmico interno del secador, confirmando que el sistema mantiene una distribución de temperatura uniforme (55–65 °C en la superficie del producto) y utiliza la convección natural impulsada por flotabilidad para una eliminación de humedad efectiva.

Resultos

Uniformidad Térmica: Las simulaciones CFD revelaron una distribución de temperatura altamente uniforme a través de la superficie de secado, con variaciones de menos de 3 °C. La temperatura de la superficie del producto se mantuvo estable entre 55 °C y 65 °C, lo cual es favorable para productos agrícolas sensibles al calor.
Desempeño de Secado: Los resultados experimentales mostraron que las configuraciones híbridas superaron significativamente al sistema convencional.
- HRWD 1 logró una reducción del 20% en el tiempo de secado en todas las condiciones operativas.
- HRWD 2 logró una reducción del 40% en el tiempo de secado.
- La mayor tasa de eliminación de humedad (MRR) se registró para HRWD 2 a 98 °C y 0.8 m/min, alcanzando 22 g/min, en comparación con los 13.2 g/min del CRWD bajo las mismas condiciones.
Parámetros Operativos: El aumento de la temperatura del agua caliente de 82 °C a 98 °C redujo el tiempo de secado en aproximadamente un 50% en todas las configuraciones. Por el contrario, el aumento de la velocidad de la banda incrementó el tiempo de secado debido a la reducción del tiempo de residencia, aunque ofreció una mayor capacidad de procesamiento continuo.
Eficiencia Energética: La eficiencia térmica del sistema propuesto asistido por energía solar se estimó en 35–40%, superando los valores típicos del secado al sol abierto (10–15%) y de los secadores de gabinete solares convencionales (20–25%).
Cinética de Secado: El proceso de secado exhibió un periodo corto de velocidad constante seguido de un periodo prolongado de velocidad decreciente, consistente con la eliminación de humedad de materiales biológicos. Las temperaturas de operación moderadas ayudaron a prevenir el endurecimiento superficial (case hardening).

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la combinación de modelado CFD y validación experimental es una herramienta eficaz para optimizar los sistemas RWD asistidos por energía solar. El estudio sostiene que el enfoque desarrollado ofrece una alternativa sostenible a los métodos de secado convencionales al:

Mejorar la Eficiencia: Potenciando la uniformidad del secado y la utilización de la energía, reduciendo así los tiempos de secado y el consumo de energía.
Preservar la Calidad: Manteniendo la calidad del producto mediante temperaturas de operación moderadas y uniformes que minimizan la degradación térmica de nutrientes y pigmentos.
Apoyar el Desarrollo Sostenible: El trabajo vincula explícitamente sus contribuciones con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas:
- ODS 7 (Energía Asequible y No Contaminante): A través de la utilización de energía térmica solar renovable.
- ODS 12 (Producción y Consumo Responsables): Mediante la mejora de la eficiencia de los recursos en el procesamiento de alimentos.
- ODS 2 (Hambre Cero): Al reducir potencialmente las pérdidas postcosecha de alimentos mediante la mejora de las capacidades de preservación.

Los autores concluyen que, si bien el sistema es prometedor para el procesamiento agrícola descentralizado en regiones con alta radiación solar, se requiere mayor investigación para escalar el sistema a capacidades piloto e industriales y para evaluar el desempeño bajo condiciones climáticas reales. El estudio señala modestamente que las evaluaciones detalladas del ciclo de vida y las mediciones directas de emisiones quedaron fuera de su alcance.

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