Modelling and experimental investigation on the processes involved in the indirect solar drying of Granny Smith apples

Drying of food for its preservation is traditionally carried out using the heat produced by burning fossil fuels or biomass in a furnace, or directly by open air sun drying. These two methods present several disadvantages. Burning fuel entails dependence on such resources and implies pollution. Exposing the products directly to the sun results in slow processes and product losses. As an alternative to avoid the inconveniences of these two traditional methods, solar dryers are considered as an Appropriate Technology for small-scale drying operations. Moreover, they have a great potential to bring access to energy and technology to impoverished societies in rural areas of the planet. Despite of the advantages of solar drying technology and the high amount of research work developed on this topic, solar dryers are still far from replacing the traditional methods. This may be attributed to the high dispersion of the investigation results, caused by the high amount of parameters affecting the drying process, and the complex interaction between them. Solar dryers are designed in a wide variety of configurations and dimensions. A solar drying process depends substantially on the product to be dried and, furthermore, it is highly affected by the climate during the operation. These facts complicate the unification of studies on solar drying, and thus the replicability of the works. The objective of this PhD thesis is to develop a comprehensive analysis of the different processes involved in indirect solar drying operations, and to study their effect on the global performance of an indirect solar dryer. The study is an attempt to simplify the models to predict the complex heat and mass transfer processes involved in solar drying. This could contribute to the systematization and unification of the methodology of evaluation of solar drying processes. Solar dryers consist mainly on air circulating (by natural convection or impelled by a fan) through an air heating system, based on solar thermal energy, and a drying chamber. In an indirect solar dryer, the air heating process takes place in the solar collector and the drying process is carried out in the drying chamber, and thus both processes occur in series. Hence, they can be studied separately, simplifying the problem. The work developed in this thesis is based on laboratory experiments combined with the theoretical modelling of the processes involved in the indirect solar dryer operation. The study is outlined in three main parts: i) the experimental set-up, design and characterization, ii) a theoretical study of the processes involved in solar drying, for a general case, and iii) the mathematical modelling of such processes, using Granny Smith apples as an application, and for the experimental validation of the models. In the first part, a lab-scale indirect solar dryer has been designed, constructed and characterized in order to reproduce solar drying processes at a wide range of climates. The aim is to replicate the processes that would take place on site, for any particular location and climate, and under laboratory-controlled conditions. Additionally, the installation can control independently the different parameters that affect the drying process, enabling to study their effect. In the second part, motivated by the fact that most of the research work is specific for a dryer and a product, a theoretical study on the maximum evaporation rate that can be obtained in indirect solar dryers of small-scale is presented. The processes are modelled for a general case rather than a specific one. The study is based on the evaporation of free water, as a generalized indicator of the potential of the solar dryer, independently of the product. The study is valid for different solar dryer dimensions, within the typical range of small-scale operations. A numerical simulation of the process of free water evaporation in the drying chamber is developed, selecting the most affecting parameters. From the results, a simplified model for the calculation of the maximum evaporation rate is derived, based on a reduced number of parameters, enabling to study their effect and to extract design and operation criteria for indirect solar dryers. In the third part, the modelling of the processes involved in an indirect solar drying operation are presented: a model of the air heating process to determine the drying conditions, and a model to predict the drying curve in the drying chamber at such conditions. The models are experimentally validated using the results obtained in the drying of Granny Smith apples. A climate characteristic of the harvest season of such variety of apples is identified and reproduced in the laboratory. For the study of the air heating process, the heat transfer mechanisms in the solar collector are mathematically modelled, for both steady state and transient conditions. The model predicts the temperatures of the components of the solar collector, and the temperature of the airflow at the outlet of the collector, i.e. the temperature at which the drying process begins. The model results are validated with the experimental measurements conducted in the lab-scale indirect solar dryer. Additionally, the solar collector of the lab-scale solar dryer is characterized, in order to assess its thermal performance under the reference climate, and to determine the drying conditions at which the drying process would take place. For the study of the drying process, a model to predict the drying curve in the drying chamber at the conditions established by the solar collector is presented. The model is based on the drying kinetics of the product, determined at constant temperature, which is the most extended method in the literature. The aim of this model is to apply the works on drying kinetics obtained at isothermal conditions, to the solar drying process, characterized by variable drying conditions. The drying kinetics of slices of Granny Smith apples is determined in a thermogravimetric analyser (TGA) and in the lab-scale solar dryer, based on the thin-layer equations, at isothermal conditions. The drying curve that would be obtained in a solar dryer at variable drying conditions is estimated using the model developed. The results are validated with experimental measurements carried out in both the TGA and the solar dryer.Tradicionalmente, el secado de alimentos para su conservación se ha realizado mediante el calor generado en la combustión de biomasa o combustibles fósiles, o bien exponiendo los productos directamente al sol. Ambos métodos presentan ciertas desventajas: la combustión implica dependencia de recursos primarios y emisión de contaminantes a la atmósfera, mientras que exponer los productos directamente al sol conlleva un proceso de secado lento y posibles pérdidas de producto. Como alternativa para evitar dichas desventajas, los secaderos solares se conciben como una tecnología apropiada para operaciones de secado a pequeña escala, contando además con un gran potencial para proporcionar acceso, tanto a la energía como a la tecnología, a sociedades empobrecidas de zonas rurales del planeta. Pese a las ventajas que aporta la tecnología de secado solar y a la enorme cantidad de trabajo de investigación desarrollado en esta materia, los secaderos solares aún están lejos de reemplazar a los métodos tradicionales. La razón fundamental es la inmensa dispersión característica de los resultados de investigación en este campo, provocada tanto por la gran cantidad de parámetros que influyen en el proceso de secado, como por la compleja interacción entre ellos. El diseño de los secaderos solares engloba un amplio espectro de configuraciones y dimensiones, ya que el proceso de secado solar depende sustancialmente del producto a secar, estando además notablemente influido por el clima existente durante la operación. Estos hechos complican la unificación de los estudios de secado solar y, por tanto, la replicabilidad de los trabajos. El objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar un análisis general de los diferentes procesos implicados en las operaciones de secado solar, y estudiar su efecto en el funcionamiento global de un secadero solar indirecto. El estudio busca simplificar los modelos que predicen los complejos procesos de transferencia de calor y masa asociados al secado solar, con el fin de contribuir a la sistematización y unificación de la metodología de evaluación de esta tecnología. Los secaderos solares constan de un sistema de calentamiento de aire basado en energía solar térmica, una cámara de secado y un sistema de circulación de aire, bien inducida por convección natural o bien forzada por un ventilador. En un secadero solar indirecto, el proceso de calentamiento de aire se lleva a cabo en el colector solar y el proceso de secado sucede en la cámara de secado. De este modo, ambos procesos ocurren en serie y, por tanto, se pueden estudiar por separado, simplificando el problema. El trabajo desarrollado ha consistido en la realización de medidas experimentales en laboratorio, combinándolas con la modelización teórica de los citados procesos, pudiéndose desglosar en tres vertientes: la puesta en marcha de una instalación experimental, un estudio teórico de los procesos involucrados en el secado solar, para un caso general, y por último la modelización de los citados procesos, empleando manzana de tipo Granny Smith como aplicación y para la validación experimental de los modelos. En primer lugar, se ha diseñado, construido y caracterizado un prototipo de secadero solar a escala de laboratorio, capaz de reproducir procesos de secado llevados a cabo bajo diferentes condiciones climáticas. La intención es replicar el proceso de secado que tendría lugar en campo en las condiciones controladas del laboratorio, pudiendo particularizarlo para cualquier clima y localización. Además el prototipo permite controlar de manera independiente los diferentes parámetros que influyen en el proceso de secado, lo que permite estudiar su efecto. La segunda parte consiste en un estudio teórico, que viene motivado por el hecho de que la mayor parte del trabajo desarrollado en la literatura es específico para un secadero y un producto concretos. El trabajo consiste en analizar la capacidad evaporativa que se podría obtener en un secadero solar de tipo indirecto para un caso general. El estudio se basa en la evaporación de agua libre, como indicador general del potencial del secadero solar independientemente del producto, identificando los parámetros más relevantes del proceso y analizando su efecto. La validez del análisis engloba diferentes dimensiones de secaderos solares, dentro de las típicas en aplicaciones de pequeña escala. A partir de una simulación numérica del proceso de evaporación de agua en la cámara, se deriva un modelo simplificado que calcula la capacidad evaporativa del secadero, basado en un número reducido de parámetros, del que se pueden extraer criterios de diseño y operación generales. La tercera parte consiste en la modelización de los procesos que tienen lugar en el secadero y su posterior validación experimental. Esta parte comprende tanto el estudio del proceso de calentamiento de aire en el colector solar como el proceso de secado en la cámara. Para los experimentos se emplean las manzanas Granny Smith, identificando un clima característico de su época de recolección y reproduciéndolo en el laboratorio como clima de referencia. Para el estudio del proceso de calentamiento de aire en el colector solar, que es el que establece las condiciones a la entrada de la cámara de secado y determina las condiciones de operación de la misma, se modelizan matemáticamente los mecanismos de transferencia de calor involucrados, tanto en estado estacionario como en transitorio, obteniéndose las temperaturas de los componentes del colector solar, así como la temperatura del aire a la salida de éste. Los resultados del modelo se validan con medidas experimentales obtenidas en el prototipo. Adicionalmente, se realiza una caracterización del colector solar del secadero de laboratorio, con el fin de evaluar su funcionamiento en el clima de referencia, determinando las condiciones de secado en las que operaría el sistema. Para el estudio del proceso de secado se desarrolla un modelo capaz de predecir la curva de secado que se obtendría en condiciones variables de temperatura, características de un proceso solar, a partir de la cinética obtenida con condiciones constantes, que es el método más extendido en la literatura. El objetivo del modelo es enlazar los trabajos en cinética de secado con los de secado solar. La cinética de secado de las manzanas Granny Smith se determina empleando un analizador termogravimétrico (TGA) a temperatura constante. A partir del modelo se predice la curva que se obtendría a las condiciones de secado establecidas por el colector. El modelo se valida experimentalmente con medidas efectuadas tanto en la TGA como en el prototipo de secadero solar.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: Mercedes de Vega Blázquez.- Secretario: Mª Teresa Miranda García-Cuevas.- Vocal: María Isabel Verónica Tricio Góme