¡Llegamos al núcleo termodinámico del proyecto! En esta Semana 13, tus estudiantes de Ingeniería Agrícola y Agroindustrial de la Universidad de Sucre conectarán los cálculos de masa de la semana anterior con la energía y el flujo de aire necesarios para que el secador funcione en el clima de nuestra región.
Basándonos en la teoría de los secadores solares (y sus apéndices técnicos), modelaremos el balance de energía (cuánto calor se necesita) y el balance de aire (qué caudal debe mover el ventilador o la chimenea térmica).
Aquí tienes el cuaderno de la Semana 13 (Ruta B) completamente limpio y listo para Google Colab:
# SEMANA 13 (Ruta B): Termodinámica y Flujo de Aire en Secadores Solares
**Especialidades:** Ingeniería Agrícola y Agroindustrial
**Asignatura:** Programación de Computadores con Python
La semana pasada programamos el algoritmo para saber **cuánta agua** ($m_w$) debemos evaporar de nuestro producto. Sin embargo, el agua no se evapora sola; necesita energía (calor) y un vehículo que se la lleve (el aire).
Esta semana traduciremos a código los balances de energía basados en los apéndices de diseño de secadores solares. Calcularemos el calor útil requerido y el caudal volumétrico de aire, determinando las bases para elegir entre un sistema de convección natural o convección forzada.
**Objetivos de Aprendizaje:**
* Programar el cálculo del calor latente de vaporización y la energía total requerida.
* Construir funciones para determinar la masa y el volumen de aire de secado.
* Diferenciar algorítmicamente los requerimientos de un secador por convección natural vs. forzada.
* Encadenar funciones (usar el resultado de una función como entrada de otra).
## SESIÓN 1: Balance de Energía (El Calor Requerido)
Para evaporar 1 kg de agua, necesitamos una cantidad específica de energía llamada **Calor Latente de Vaporización ($L_v$)**. Aunque varía ligeramente con la temperatura, en ingeniería de secado agrícola solemos usar un valor promedio de $2260 \text{ kJ/kg}$ (o $2.26 \text{ MJ/kg}$).
La ecuación de energía térmica requerida ($Q$) es simple:
$$Q = m_w \times L_v$$
Donde $m_w$ es la masa de agua a remover que calculamos la semana pasada. Vamos a crear un programa que integre ambos pasos.
# 1. Traemos nuestra función de la semana pasada
def agua_a_evaporar(masa_inicial, humedad_inicial, humedad_final):
return masa_inicial * ((humedad_inicial - humedad_final) / (100 - humedad_final))
# 2. Nueva función para el balance de energía
def energia_requerida_secado(masa_agua_kg):
"""
Calcula la energía térmica total (en kJ) necesaria para evaporar el agua.
Utiliza el calor latente de vaporización del agua (~2260 kJ/kg).
"""
calor_latente_Lv = 2260.0 # kJ/kg
energia_Q = masa_agua_kg * calor_latente_Lv
return energia_Q
# --- CASO PRÁCTICO: Lote de Ñame ---
m_inicial = 200.0 # kg
h_inicial = 70.0 # %
h_final = 12.0 # %
# Encadenamiento de funciones:
agua_remover = agua_a_evaporar(m_inicial, h_inicial, h_final)
calor_necesario = energia_requerida_secado(agua_remover)
print(f"Agua a evaporar: {agua_remover:.2f} kg")
print(f"Energía térmica requerida: {calor_necesario:.2f} kJ")
---
## SESIÓN 2: Flujo de Aire (Convección Natural vs. Forzada)
El aire caliente entra al secador, cede su energía al producto para evaporar el agua y sale más frío y húmedo. Para saber cuánto aire necesitamos ($m_a$), usamos la diferencia de temperaturas entre el aire caliente que entra al secador ($T_o$) y el aire ambiente ($T_i$).
$$m_a = \frac{Q}{C_{pa} \times (T_o - T_i)}$$
Donde $C_{pa}$ es el calor específico del aire ($\approx 1.006 \text{ kJ/kg}^\circ\text{C}$).
Finalmente, convertimos esa masa de aire a **Volumen ($V_a$)** usando la densidad del aire ($\rho_a \approx 1.2 \text{ kg/m}^3$), lo cual nos da el **Caudal**. Si el caudal requerido es muy alto, la convección natural (tiro térmico) no será suficiente y el programa deberá recomendarnos convección forzada (usar ventiladores).
def calcular_caudal_aire(energia_Q, temp_ambiente, temp_colector):
"""
Calcula el volumen de aire necesario y evalúa el tipo de convección.
"""
calor_especifico_aire = 1.006 # kJ/kg°C
densidad_aire = 1.2 # kg/m3
# Validamos que el colector realmente esté calentando el aire
if temp_colector <= temp_ambiente:
return "Error: La temperatura del colector debe ser mayor a la ambiente."
# 1. Masa de aire (kg)
masa_aire = energia_Q / (calor_especifico_aire * (temp_colector - temp_ambiente))
# 2. Volumen de aire (m3)
volumen_aire = masa_aire / densidad_aire
return volumen_aire
# --- CONTINUACIÓN DEL CASO PRÁCTICO ---
t_ambiente = 30.0 # °C (Típico en nuestra región)
t_colector = 60.0 # °C (Temperatura a la salida del colector solar)
volumen_total = calcular_caudal_aire(calor_necesario, t_ambiente, t_colector)
print("--- RESULTADOS DE DISEÑO DEL SECADOR ---")
print(f"Volumen total de aire requerido: {volumen_total:.2f} m³")
# Lógica de decisión para el tipo de convección (Condicionales)
# Asumimos que si necesitamos mover más de 10,000 m3 en total, requerimos ventiladores
if volumen_total > 10000:
print("Recomendación de Diseño: CONVECCIÓN FORZADA (Requiere dimensionar ventilador).")
else:
print("Recomendación de Diseño: CONVECCIÓN NATURAL (Posible mediante diseño de chimenea).")
---
### Interacción con el Tutor IA 🤖
El diseño de secadores tiene muchas variables termodinámicas. Pídele a tu asistente que te aclare los conceptos de la carta psicrométrica:
> **PROMPT DE APRENDIZAJE - SEMANA 13 (AGRO/AGRÍCOLA):**
> Actúa como un Ingeniero Agroindustrial experto en termodinámica de secado. He programado el cálculo de volumen de aire para un secador solar.
> 1) En mis cálculos asumí que el calor específico del aire ($C_{pa}$) y su densidad son constantes. Físicamente, ¿cómo cambian estos valores a medida que el aire se calienta en el colector solar?
> 2) Explícame de forma sencilla cómo afecta la "Humedad Relativa" del aire ambiente a la eficiencia del secador.
> 3) ¿Qué ventaja técnica tiene la convección forzada sobre la convección natural cuando secamos productos con alto contenido de humedad como el mango o el tomate?
> Después hazme 3 preguntas teóricas para verificar si comprendo los balances de energía en el secado.
---
## ACTIVIDAD FINAL: Hoja "Estudia y Aprende"
Sintetiza tus algoritmos térmicos en tu hoja de trabajo:
> **PROMPT GLOBAL DE CIERRE:**
> Actúa como tutor experto en Operaciones Unitarias asistidas por Python. Elabora un RESUMEN BREVE que cumpla estas condiciones:
> 1. Debe caber en UNA SOLA HOJA escrita a mano.
> 2. Lenguaje claro, técnico y aplicado a Ingeniería Agrícola y Agroindustrial.
> 3. Debe incluir: El concepto de calor latente de vaporización ($L_v$), la fórmula del balance de energía ($Q = m_w \times L_v$), y cómo la diferencia de temperaturas determina la cantidad de aire requerido.
> 4. Pensado para que yo lo escriba comprendiendo lo esencial.
> Al final agrega una frase de reflexión sobre cómo la programación acelera el diseño de equipos eco-eficientes como los secadores solares.
**Instrucción para el estudiante:** En el reverso de tu hoja, escribe qué pasaría con el **volumen de aire requerido** si el día está nublado y la temperatura del colector ($T_o$) baja de 60°C a 40°C. ¿Necesitaríamos más o menos aire? Justifica tu respuesta observando la fórmula en el código de la Sesión 2.
Con esto, los estudiantes de la Ruta B ya tienen todas las ecuaciones resueltas en funciones de Python. Tienen la masa de agua, la energía y el caudal de aire.
Este es el insumo perfecto para la Semana 14, donde
ambos grupos (Civil y Agro/Agrícola) volverán a unirse metodológicamente
para tomar estos “motores lógicos” (el modelo de vigas en
sympy y el modelo termodinámico de secado) y comenzar a
envolverlos en su aplicación web final de
Streamlit.