I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN LABORATORIO DE INGENIERIA TERMICA E HIDRÁULICA APLICADA
“COMPARACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA
ENTRE SISTEMAS DE SECADO HORIZONTAL
Y VERTICAL”
PRESENTA
ING. MARTHA ANGÉLICA CALVA RAMÍREZ
DIRECTOR DE TESIS DR. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA
i
A Dios, por darme sabiduría, entendimiento y guiarme por el camino de la fé.
A mi familia, por ser ellos, por el amor que me han brindado y el apoyo incondicional que siempre he tenido de ustedes.
A la Sección de Estudios de Posgrado del ESIME-IPN por la formación profesional y humana ofrecida.
A mi asesor y director de tesis, por haber aceptado trabajar conmigo en el desarrollo de este trabajo, por el gran apoyo humanitario y educativo que me
brindó.
ii
iii
Descripción Pág
CARTA DE REVISIÓN i
AGRADECIMIENTOS ii
DEDICATORIAS iii
ÍNDICE TEMÁTICO iv
ÍNDICE DE FIGURAS x
ÍNDICE DE TABLAS xiv
NOMENCLATURA xvii
RESUMEN xxv
ABSTRACT xxvi
INTRODUCCIÓN xxvii
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE EL FENÓMENO DE
SECADO 1
1.1 GENERALIDADES DEL SECADO 1
1.1.1 Objetivos del secado 1
1.1.2 Métodos generales de secado 1
1.2 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA EN EL
SECADO 3
1.2.1 Fenómenos de transferencia de energía 4
1.2.2 Movimiento de la humedad dentro del sólido 4
1.2.2.1 Mecanismos de transferencia de
humedad 4
1.2.2.2 Transferencia de humedad en el
interior del sólido 5
1.3 VELOCIDAD DE SECADO CRECIENTE Y
DECRECIENTE 6
1.3.1 Fundamento teórico 6
1.3.2 Período inicial de secado a velocidad constante 7
1.3.3 Período de secado a velocidad decreciente 9
1.4 SECADO DE ALIMENTOS 10
CAPÍTULO 2 EL SECADO INDUSTRIAL
2.1 EQUIPO PARA SECADO 13
2.1.1 Secadores directos 15
2.1.1.1 Secadores directos continuos 15
2.1.1.2 Secadores directos por lotes 22
2.1.2 Secadores indirectos o de conducción 24
2.1.2.1 Secadores indirectos continuos 24
2.1.2.2 Secadores indirectos por lotes 26
2.2 PARÁMETROS DEL PROCESO DE SECADO 29
2.2.1 Balance global de masa y energía para el
secado de un sólido con aire 29
2.2.2 Método de solución 30
iv
2.3.1 Mecanismo interno de la circulación del líquido 34
2.3.2 Curvas fundamentales de secado 35
2.3.3 Proceso ideal de secado básico de cereal
extruído 36
2.3.4 Influencia del secado en el producto 38
2.4 DISEÑO DEL SECADOR 39
2.5 PATRÓN DE SECADO 40
2.5.1 Humedad 42
2.5.2 Control de la cama de secado 42
2.5.3 Condiciones de operación 43
2.5.4 Control del proceso de secado 44
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
3.1 PARÁMETROS QUE DEBEN MEDIRSE EN EL SISTEMA 47
3.1.1 Contenidos de humedad en la entrada y la salida 49
3.1.2 Temperaturas de aire la entrada y la salida 50
3.1.3 Temperaturas del material en la entrada y la
salida 52
3.1.4 Flujo de alimentación 53
3.1.5 Flujo de aire 54
3.1.6 Humedades en la entrada y la salida 54
3.1.7 Tiempo de retención o tiempo de paso por el
secador 55
3.1.8 Consumo de combustible 56
3.1.9 Temperaturas de las paredes del secador 57
3.1.10 Variables a medir en el sistema 57
3.2 PUNTOS DE MEDICIÓN Y FRECUENCIA 58
3.3 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 61
3.3.1 Temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo 61
3.3.2 Flujo y velocidad de aire 64
3.3.2.1 Medición del flujo de aire 64
3.3.3 Análisis de humedad 66
3.3.4 Consumo de combustible 67
3.3.4.1 Medición de consumo de gas LP 67
3.3.4.2 Medición de consumo eléctrico 68
3.3.5 Pérdidas térmicas al medio ambiente 68
3.4 CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS Y SU CORRECTA
INSTALACIÓN 70
3.4.1 Calibración de termopares 70
3.4.2 Medición de flujo de aire y calibración del tubo
pitot 71
3.4.3 Consumo de combustible 71
3.4.3.1 Instalación del medidor de gas LP 71
3.4.3.2 Medición adecuada del consumo
eléctrico 72
v
3.5.1 Precauciones y requisitos a cumplir antes de la
prueba 73
3.5.2 Procedimientos de medición 74
3.5.3 Condiciones de operación 76
3.5.4 Orden cronológico de las mediciones 76
3.5.5 Formatos de recolección de datos 78
CAPÍTULO 4 MODELO DE CONSUMO ENERGÉTICO
4.1 CARGA EVAPORATIVA PARA SECADO 79
4.1.1 Datos de humedades de entrada y salida 79
4.1.1.1 Secador horizontal 79
4.1.1.2 Secador vertical 80
4.1.2 Uniformidad de secado 81
4.1.3 Datos de temperaturas de producto de entrada y
salida 82
4.1.3.1 Secador horizontal 82
4.1.3.2 Secador vertical 83
4.1.3.3 Energía contenida en el producto 84
4.1.4 Balance másico y carga evaporativa de secado 84
4.1.4.1 Secador horizontal 84
4.1.4.2 Secador vertical 85
4.2 CONSUMOS ENERGÉTICOS 85
4.2.1 Datos de prueba. Consumo eléctrico 86
4.2.1.1 Consumo eléctrico secador horizontal 86
4.2.1.2 Consumo eléctrico secador vertical 87
4.2.1.3 Consumos eléctricos específicos 89
4.2.2 Datos de prueba. Consumo gas LP 89
4.2.2.1 Consumo gas LP secador horizontal 89
4.2.2.2 Consumo gas LP secador vertical 89
4.2.2.3 Reacción de combustión del gas LP y
sus productos 90
4.2.2.4 Consumos de gas LP específicos 91
4.3 CONDICIONES DE AIRE DE ENTRADA Y SALIDA 91
4.3.1 Datos de prueba. Temperaturas del aire 91
4.3.1.1 Temperaturas y flujo del aire secador
horizontal 92
4.3.1.2 Temperaturas y flujo del aire secador
vertical 93
4.3.2 Propiedades psicométricas del aire 94
4.3.2.1 Propiedades del aire secador
horizontal 94
4.3.2.2 Propiedades del aire secador vertical 96
4.3.2.3 Propiedades de las corrientes de aire
para balance 98
4.4 BALANCES DE ENERGÍA Y MASA 98
vi
4.4.1.1 Datos de prueba. Temperaturas de las
paredes 98
4.4.1.1.1 Temperaturas de las
paredes secador horizontal 99
4.4.1.1.2 Temperaturas de las
paredes secador vertical 101
4.4.1.2 Pérdidas de calor al ambiente 102
4.4.1.2.1 Pérdidas de calor al
ambiente secador horizontal 102
4.4.1.2.2 Pérdidas de calor al
ambiente secador vertical 104
4.4.1.2.3 Comparación de pérdidas de
calor al ambiente 105
4.4.2 Balance másico y energético global secador
vertical y horizontal 106
4.4.2.1 Energía contenida en el producto a la
entrada del secador 106
4.4.2.2 Producto a la salida del secador 106
4.4.2.3 Insumos energéticos 107
4.4.2.4 Energía contenida en el aire 107
4.4.2.4.1 Energía contenida en el aire
fresco 107
4.4.2.4.2 Energía contenida en el aire
de deshecho 108
4.4.2.5 Balance global 108
4.4.2.5.1 Balance másico 108
4.4.2.5.2 Balance energético 109
4.4.3 Pérdidas de energía 110
4.5 COMPARACIÓN ENERGÉTICA DE LOS SISTEMAS DE
SECADO 110
CAPÍTULO 5 COMPARACIÓN DE RESULTADOS DEL SISTEMA DE SECADO
5.1 COMPARACIÓN DE LA OPERACIÓN 111
5.2 COMPARACIÓN DEL PRODUCTO 119
CONCLUSIONES 122
RECOMENDACIONES 124
APÉNDICE 125
vii ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.2.1 Representación gráfica del mecanismo de secado 3
Figura 1.3.1 Representación esquemática de las curvas de secado 7
Figura 1.3.2 Curvas idealizadas de secado (a) Tasa de secado VS
tiempo (b) Tasa de secado VS humedad 8
Figura 1.4.1 Influencia de la actividad del agua en la estabilidad de
alimentos 11
Figura 2.1.1 Clasificación de secadores basado en el método de
transferencia de calor 14
Figura 2.1.2 Secador de bandejas o anaqueles 16
Figura 2.1.3 Circulación de aire en secador industrial típico de
bandejas 16
Figura 2.1.4 Diagrama esquemático de un secador rotatorio con
calentamiento directo 17
Figura 2.1.5 Diagrama de secador por pulverización 18
Figura 2.1.6 Secador horizontal de múltiples pasos 19
Figura 2.1.7 Secador vertical multi-etapa 20
Figura 2.1.8 Secador de carretillas con flujo de aire a contracorriente 21
Figura 2.1.9 Secador de banda transportadora con circulación
cruzada 21
Figura 2.1.10 Secador de lecho fluidizado 22
Figura 2.1.11 Secador de bandejas de laboratorio 23
Figura 2.1.12 Distribución esquemática de corrientes de aire en un
secador de granos 23
Figura 2.1.13 Secador rotatorio industrial 24
Figura 2.1.14 Secador de tambor rotatorio 25
Figura 2.1.15 Representación esquemática de un secador rotatorio al
vacío con alimentación a co-corriente y contra-corriente 28
Figura 2.1.16 Secador de bandejas al vacío 28
Figura 2.2.1 Esquema de flujo de proceso del secado de un sólido 29
Figura 2.2.2 Esquema genérico para un secador de circulación
directa 31
Figura 2.2.3 Esquema por operaciones de un secador de circulación
directa 31
Figura 2.3.1 Representación del mecanismo interno de la circulación
de líquido en el secado 34
Figura 2.3.2 Proceso de secado ideal en una carta psicométrica 37
Figura 2.3.3 Isoterma esquemática de alimento de cereal extruido 38
Figura 2.5.1 Representación esquemática del flujo de aire
ascendente y descendente a través de la cama del producto en un secador de 3 pasos
41
Figura 2.5.2 Diagrama esquemático de flujo de aire en un secador
simétricamente diseñado de tres pasos 41
viii
humedad relativa del ambiente
Figura 2.5.4 Representación esquemática de un sistema de control
para secadores de cereal extruido 46
Figura 3.1.1 Diagrama psicrométrico típico simplificado 51
Figura 3.1.2 Representación gráfica de las temperaturas de bulbo
seco y bulbo húmedo 51
Figura 3.1.4 Efectos de la profundidad de la cama y la velocidad del
aire 56
Figura 3.1.5 Diagrama de simulación secado 57
Figura 3.2.1 Puntos de medición y frecuencia de salida y entrada de
producto 59
Figura 3.2.2 Puntos de medición y frecuencia de aire fresco y aire
exhausto 60
Figura 3.2.3 Puntos de medición y frecuencia de consumos
energéticos 60
Figura 3.2.4 Puntos de medición y frecuencia de pérdidas
ambientales 61
Figura 3.3.1 Tiempo de medición de temperaturas de bulbo seco y
húmedo 63
Figura 3.3.2 Determinación del número de puntos de medición aire 65
Figura 3.3.3 Localización de puntos de medición 65
Figura 3.3.4 Puntos de muestreo humedad 66
Figura 3.3.5 Diámetro del orificio con respecto a la placa de orificio 72
Figura 4.2.1 Corriente trifásica de los ventiladores. Secador
horizontal 87
Figura 4.2.2 Corriente trifásica por ventilador. Secador vertical 88
Figura 4.3.1 Condiciones de operación del secador horizontal sobre
la carta psicrométrica 95
Figura 4.3.2 Propiedades del aire en datos puntuales del secador
horizontal 95
Figura 4.3.3 Diagrama de corrientes de aire del secador vertical 96
Figura 4.3.4 Propiedades de datos puntuales del aire secador
vertical 96
Figura 4.3.5 Condiciones de operación del secador vertical sobre la
carta psicométrica 97
Figura 4.4.1 Temperaturas de las caras del secador. Secador
Horizontal 100
Figura 4.4.2 Perfil de temperaturas de paredes del secador. Secador
Horizontal 101
Figura 4.4.3 Temperaturas de paredes del secador. Secador Vertical 102
Figura 5.1.1 Gráfica de entradas de energía al sistema por kilogramo
de agua evaporada 112
Figura 5.1.2 Consumos energético específico 113
Figura 5.1.3 Consumos eléctricos y de gas por agua evaporada 114
Figura 5.1.4 Agua evaporada por metro cuadrado 114
ix
Figura 5.1.6 Pérdidas por radiación y convección. Secador
Horizontal 115
Figura 5.1.7 Comparación de entradas de energía por kilogramo de
agua evaporada 117
Figura 5.1.8 Comparación de entradas de energía por metro
cuadrado efectivo de secado 117
Figura 5.1.9 Comparación de salidas de energía por metro cuadrado
efectivo de secado 118
Figura 5.1.10 Comparación de entradas de energía por metro
cuadrado efectivo de secado 118
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Características del producto para prueba de eficiencia
de secado 48
Tabla 3.2 Impacto del contenido de humedad 55
Tabla 3.3 Variables del sistema de secado 58
Tabla 3.4 Rangos de secado operativos para las temperaturas de
bulbo seco y de bulbo húmedo 63
Tabla 3.5 Precisión mínima recomendada 70
Tabla 4.1 Humedad del producto en la entrada al secador 80
Tabla 4.2 Tabla condensada humedad del producto a la salida del
secador 80
Tabla 4.3 Humedades de entrada de producto. Secador Horizontal 81
Tabla 4.4 Humedades de salida del producto seco en el secador
vertical 81
Tabla 4.5 Datos de temperatura de entrada del producto. Secador
horizontal 82
Tabla 4.6 Datos de temperatura de salida del producto. Secador
horizontal 82
Tabla 4.7 Temperatura de entrada de producto. Secador vertical 83
Tabla 4.8 Temperatura de salida de producto. Secador vertical 83
Tabla 4.9 Entalpía de entrada y salida del producto al secador 84
Tabla 4.10 Balance másico de producto. Secador Horizontal 84
Tabla 4.11 Balance másico de producto. Secador vertical 85
Tabla 4.12 Consumo eléctrico por ventilador. Secador horizontal 86
Tabla 4.13 Consumo eléctrico por ventilador. Secador vertical 87
Tabla 4.14 Amperaje trifásico por ventilador. Secador vertical 88
Tabla 4.15 Amperaje trifásico por ventilador. Secador vertical
(cont.) 88
Tabla 4.16 Consumos eléctricos específicos. Tabla Comparativa 89
Tabla 4.17 Datos de prueba consumo de gas. Secador vertical 90
Tabla 4.18 Productos de la reacción de combustión 90
Tabla 4.19 Consumo Energético Total. Tabla Comparativa 91
Tabla 4.20 Consumo de energía específica. Tabla Comparativa 91
x
aire recirculado y aire fresco. Secador Horizontal
Tabla 4.22 Temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire
exhausto. Secador Horizontal 92
Tabla 4.23 Datos de perfil de velocidades ducto aire exhausto.
Secador Horizontal 93
Tabla 4.24 Temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire
exhausto y de recirculación. Secador vertical 93
Tabla 4.25 Temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire
exhausto y de recirculación. Secador vertical (cont) 94
Tabla 4.26 Temperaturas de aire del PLC. Secador vertical 94
Tabla 4.27 Propiedades termodinámicas del aire 98
Tabla 4.28 Temperaturas de caras del secador. Secador Horizontal 99
Tabla 4.29 Temperaturas de caras del secador. Secador Horizontal
(cont) 99
Tabla 4.30 Temperaturas de caras frontal y posterior del secador.
Secador Horizontal 100
Tabla 4.31 Perfil de temperaturas, caras frontal e izquierda.
Secador Vertical 101
Tabla 4.32 Perfil de temperaturas, cara posterior y derecha.
Secador Vertical 101
Tabla 4.33 Dimensiones del secador horizontal 102
Tabla 4.34 Área de las paredes. Secador Horizontal 103
Tabla 4.35a Pérdidas de calor por radiación. Secador Horizontal 103
Tabla 4.35b Pérdidas de calor por convección. Secador Horizontal 103
Tabla 4.35c Pérdidas de calor totales. Secador Horizontal 104
Tabla 4.36a Pérdidas de calor por radiación. Secador Vertical 104
Tabla 4.36b Pérdidas de calor por convección. Secador Vertical 105
Tabla 4.36c Pérdidas de calor totales. Secador Vertical 105
Tabla 4.37 Pérdidas de calor al ambiente. Tabla comparativa 105
Tabla 4.38 Energía del producto a la entrada del secador. Tabla
comparativa 16
Tabla 4.39 Energía del producto a la salida del secador. Tabla
comparativa 107
Tabla 4.40 Insumos energéticos. Tabla comparativa 107
Tabla 4.41 Energía del aire fresco. Tabla comparativa 108
Tabla 4.42 Energía del aire exhausto. Tabla comparativa 108
Tabla 4.43 Balance másico global del producto. Tabla comparativa 109
Tabla 4.44 Consumo Específico de Gas. Tabla comparativa 109
Tabla 4.45 Balance energético global. Tabla comparativa 110
Tabla 4.46 Pérdidas ambientales. Tabla comparativa 110
Tabla 4.47 Eficiencias globales. Tabla comparativa 110
Tabla 5.1 Consumos específicos de combustible y otros factores
de comparación 112
Tabla 5.2 Entradas de energía al sistema por kilogramo de agua
evaporada 112
xi
Tabla 5.4 Eficiencias de secado de primera ley 113
Tabla 5.5 Balance energético por metro cuadrado efectiva de
secado 116
Tabla 5.6 Balance energético por kilogramo de agua evaporada 116
Tabla 5.7 Tabla resumen de comparación cuantitativa de
secadores 119
Tabla 5.8 Tabla resumen de comparación cualitativa de secadores 121
Tabla A.1 Matriz de recolección de datos. Humedad entrada de
producto al secador 125
Tabla A.2 Matriz de recolección de datos. Humedad salida de
producto al secador 125
Tabla A.3 Matriz de recolección de datos. Temperatura entrada de
producto al secador 126
Tabla A.4 Matriz de recolección de datos. Temperatura salida de
producto al secador 127
Tabla A.5 Matriz de recolección de datos. Consumo de gas 127
Tabla A.6 Matriz de recolección de datos. Consumo eléctrico
secador vertical 128
Tabla A.7 Matriz de recolección de datos. Consumo eléctrico
secador horizontal 129
Tabla A.8 Matriz de recolección de datos. Temperaturas del aire
fresco secador horizontal 130
Tabla A.9 Matriz de recolección de datos. Velocidades del aire de
deshecho secador horizontal 130
Tabla A.10 Matriz de recolección de datos. Temperaturas del aire
de deshecho secador vertical 131
Tabla A.11 Matriz de recolección de datos. Temperaturas del aire
fresco y recirculación secador vertical 132
Tabla A.12 Matriz de recolección de datos. Velocidades del aire
exhausto secador vertical 133
Tabla A.13 Matriz de recolección de datos. Temperaturas de las
paredes secador vertical 133
Tabla A.14 Matriz de recolección de datos. Temperaturas de las
paredes secador horizontal 134
Tabla A.15 Matriz de recolección de datos. Flujo de producto 135
Tabla A.16 Matriz de recolección de datos. Altura de cama de
xii
NOMENCLATURA
SÍMBOLO NOMBRE UNIDADES
Mayúsculas
A Área m2
C Concentración Mol
D Diámetro m
G Flujo másico de aire kg/hr
H Entalpía J
Q Calor J
T Temperatura K
V Flujo volumétrico m3/h
Minúsculas
aw Actividad del agua
cp Capacidad calorífica J/kg C
e Coeficiente de emisividad del acero inoxidable 0.61
h Entalpía específica J/kg
masa Masa Kg
m Humedad kg/kg
q Densidad de flujo térmico J/m2
s Constante de Stephan Boltzman = 5.6703 E-8 W / m2 C4
v Volumen específico m3/kg
y Humedad absoluta del aire kg/kg
Griegas
α Seno del fluido
ρ Densidad kg/m3
λ Calor latente J/kg
η Eficiencia global del secador
Subíndices
a-e Aire a la entrada del secador
a-s Aire a la salida del secador
agua Agua evaporada
agua-exh Agua en el ducto de salida
Agua-abs-aire Agua absorbida por el aire
as-e Aire seco fresco al secador
as-exh Aire seco por ducto de salida
bh Bulbo húmedo
bh-amb Bulbo húmedo en aire ambiente
xiii
bh-exh Bulbo húmedo en el ducto de salida
bh-rec Bulbo húmedo de aire de recirculación
bh-sec Bulbo húmedo de aire de secado
bs Bulbo seco
bs-amb Bulbo seco en aire ambiente
bs-e Bulbo seco a la entrada del secador
bs-exh Bulbo seco en el ducto de salida
bs-rec Bulbo seco de aire de recirculación
bs-sec Bulbo seco de aire de secado
comb Combustión
e Entrada al secador
eléctrico Eléctrico
exh Ducto de aire de salida
gas Gas LP
l Líquido evaporado
perdidas Pérdidas
rad Radiación
rec Recirculación
sat Saturación
sec Secado
s Sólido, superficie
s-e Sólidos a la entrada del secador
s-s Sólidos a la salida del secador
sal Salida
xiv
RESUMEN
Hoy en día, existen dos sistemas industriales de secado, los cuales de acuerdo a los proveedores, cada uno de ellos es superior al del competidor, dificultando la elección de las industrias en la inversión del mejor equipo. Sin embargo, actualmente no existe un criterio objetivo que permita tomar la decisión respecto a la selección del equipo, consecuentemente la decisión de la industria se vuelve más compleja.
El objetivo de este trabajo es presentar la metodología y el análisis energético para realizar la comparación del consumo energético de los dos sistemas de secado más populares en la industria alimenticia: vertical y horizontal. Esto permitirá a la industria contar con un estudio objetivo de los sistemas de secado y tomar la decisión más acertada para sus inversiones tanto a largo como a corto plazo.
La metodología de comparación de eficiencias considera factores como aportes energéticos de todas las corrientes que interfieren en el proceso de secado, tal como el producto, aire de secado, consumo de gas, pérdidas radiativas y convectivas y otros consumos energéticos de costo significativo como la electricidad. También considera aspectos cualitativos como calidad del la homogeneidad de la humedad del producto, producción de finos, mantenimiento, facilidad de operación, seguridad, etc. Todos estos aspectos fueron monitoreados en una prueba industrial bajo condiciones controladas.
xv
ABSTRACT
There are two main drying systems in the market, the horizontal and the vertical. The suppliers dispute which of one is better, so when they try to sell a new equipment they assure that the one that they have performs better than competitor drying system, so the decision of buying the best dryer it is very difficult for the industry; even more, there is not an objective criteria to select the best equipment, that difficult the buyers decision.
The objective of the thesis is to present a methodology and the energy analysis to perform as accurate as possible the comparison between both drying systems. So we will provide the industry with and objective study and allow them to take the best decision for their investments both, on the long term and on the short term.
The methodology used considered all energetic factors such as product inlet and outlet, air streams, irradiative and convective losses, gas LP consumption and electrical consumption. There are some qualitative aspects like moisture distribution, fines, maintenance, security, cleanness, etc. An industrial test was designed to compare the energy efficiencies of both drying systems.
xvi INTRODUCCIÓN
El secado es la operación unitaria de separación mediante la cual se remueve agua o algún otro compuesto volátil por evaporación, de la que se obtiene un producto sólido, y se lleva a cabo para preservar o prologar la vida útil de algunos productos biológicos, entre ellos los alimentos.
Durante el secado, se llevan a cabo fenómenos de transferencia de masa, calor y momentum, que industrialmente requieren un consumo de energía muy grande. Esta energía requerida para el secado puede representar la segunda fuente de egresos de una planta procesadora de alimentos, y es utilizada esencialmente para calentar el producto, calentar el aire de secado y por medio de éste evaporar el agua del producto.
Hoy en día, en las plantas procesadores de alimentos derivados de cereales, existen dos sistemas industriales de secado, los cuales de acuerdo a los proveedores, cada uno de ellos es superior al del competidor, dificultando la elección de las industrias en la inversión del mejor equipo. Sin embargo, actualmente no existe un criterio objetivo que permita tomar la decisión respecto a la selección del equipo, consecuentemente la decisión de la industria se vuelve más compleja.
El objetivo de este trabajo es realizar la comparación del consumo energético de los
dos sistemas de secado más populares en la industria alimenticia: vertical y
horizontal, así mismo comparar la calidad del producto resultante. Esto permitirá a la industria contar con un estudio objetivo de los sistemas de secado y tomar la decisión más acertada para sus inversiones tanto a largo como a corto plazo.
El presente trabajo tiene una gran importancia práctica, ya que con el modelo de secado, se podrá contribuir con una alternativa sustentada en principios de la ingeniería que, junto con la medición rigurosa de los parámetros de secado, podrá utilizarse como punto de partida para la selección del sistema de secado adecuado así como un balance másico y energético para verificar las eficiencias de sistemas de secado actual.
Mediante un experimento industrial controlado, los dos sistemas de secado (vertical y horizontal) serán sometidos a condiciones de secado semejantes, en los cuales se medirán condiciones del producto y proceso tales como humedad, flujos, temperaturas, propiedades termodinámicas del aire y consumos energéticos tanto eléctricos como de gas. También se verificará la uniformidad y calidad del secado.
La tesis se desarrolla de la manera siguiente: en el capítulo uno, se estudia el proceso de secado, sus variables y los balances energéticos y másicos relacionados con el proceso. Así mismo se estudia la importancia del secado en el tratamiento de alimentos y especialmente en la transformación de cereales crudos a alimento de consumo por medio de extrusión.
xvii
experimentación, bajo una descripción detallada de su desarrollo y el diseño de la prueba experimental.
En el capítulo cuatro, se realiza la comparación energética de ambos sistemas de secado así como el cálculo y análisis detallado de cada una de las corrientes de entrada y salida, para llegar a un balance energético y másico del sistema para la creación de un modelo matemático global.
1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES SOBRE EL FENÓMENO DE SECADO
En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas, de un cierto material. La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes. En la evaporación, el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de una mezcla de vapor con aire.
En este capítulo se presentan los conceptos básicos del secado, como marco de referencia para estudiar las diferencias entre los dos sistemas más usados en la industria, el secador horizontal y el secador vertical.
1.1 GENERALIDADES DEL SECADO
1.1.1 OBJETIVOS DEL SECADO
En algunos casos, el exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por métodos mecánicos (sedimentación, filtración, centrifugación), sin embargo, la eliminación más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores formados, es decir, mediante el secado térmico, ya sea empleando una corriente de gas o sin la ayuda del mismo para extraer el vapor de agua [1]. En muchas industrias, el secado suele ser la etapa final de los procesos antes de empaque y permite que muchos materiales, sean más adecuados para su manejo. La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa [2].
El secado o deshidratación de materiales biológicos (en especial los alimentos), se usa también como técnica de preservación. Los microorganismos que provocan la descomposición de los alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia de agua. Además, muchas de las enzimas que causan los cambios en alimentos y otros materiales biológicos no pueden funcionar sin agua y muchos microorganismos dejan de ser activos cuando el contenido de agua se reduce por debajo de 10% en peso [2].
1.1.2 MÉTODOS GENERALES DE SECADO
Los métodos y procesos de secado pueden clasificarse de diferentes maneras:
Estos procesos pueden dividirse por lotes cuando el material se introduce en el equipo
de secado y el proceso se verifica por un periodo de tiempo, o continuos, donde el
material se añade sin interrupción al equipo de secado y se obtiene material seco con régimen continuo.
Los procesos de secado pueden clasificarse también de acuerdo con las condiciones físicas usadas para adicionar calor y extraer el vapor de agua:
2
(2) En el secado al vacío, la evaporación del agua se verifica con más rapidez a presiones bajas, y el calor se añade indirectamente por contacto con una pared metálica o por radiación (también pueden usarse temperaturas bajas con vacío para ciertos materiales que pueden decolorarse o descomponerse a temperaturas altas). (3) En el secado por congelación, el agua se sublima directamente del material congelado.
Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual puede ser por conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de estos, el flujo de calor tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido. Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera el calor intercambiante, lo cual conduce a la circulación de calor desde el interior hasta la superficie exterior [4], [5], [6].
En el secado por convección el calor necesario para la evaporación del líquido se
transmite por un agente gaseoso o un vapor que pasa por encima del sólido o lo atraviesa.
En el secado por conducción el producto que debe secarse se encuentra en
recipientes calentados o se desplaza por encima de estos. El calor también se difunde en el sólido a través de la conductividad del propio sólido [7].
En el secado por radiación el calor se transmite por las superficies radiantes próximas.
En el secado dieléctrico la energía es generada en el interior del propio material
mediante un campo electromagnético de alta frecuencia en la zona de microondas [8].
También se reporta en la literatura el secado por sublimación, denominando así al
secado en estado de congelación al vacío profundo. Según el método de transmisión del calor este procedimiento es análogo al secado por conducción pero debido a sus peculiaridades el secado por sublimación se destaca como un grupo especial [2].
1.2 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA EN EL SECADO
El secado es una operación unitaria mediante la cual se elimina la mayor parte del agua de los alimentos, por evaporación, aplicando calor. Probablemente el principio más importante de recordar es que el propósito del secado no es simplemente reducir la humedad, sino que de manera más general, el propósito es utilizar el secado para crear el producto deseado, confiable y consistente con la calidad que se busca. Por lo tanto, es de primordial importancia no sólo como crear las condiciones necesarias de proceso sino también en que etapa del proceso esas propiedades son necesarias. Por ejemplo, en alimentos deshidratados la inhibición del crecimiento microbiano y la actividad enzimática se produce por esa reducción de la actividad del agua. Además el secado disminuye el peso y el volumen del alimento por lo que disminuye los gastos de transporte y almacenamiento, así como su embalaje y manejo.
3
120 °C, temperaturas mayores provocarán la formación de una costra en la superficie del cereal extruído que impedirá la remoción de la humedad [16].
Figura 1.2.1 Representación gráfica del mecanismo de secado.
En los siguientes párrafos, para explicar los fenómenos de transferencia de masa y energía, se asume que no cambian las temperaturas de secado ni las humedades relativas. Esta suposición no es trivial, debido a que la rapidez de secado (en la mayoría de la literatura de secado industrial, a la rapidez de secado también se le conoce como velocidad de secado y en esta tesis se empleará la misma nomenclatura) y las fuerzas impulsoras del secado son substancialmente afectadas por ambos parámetros, temperatura y humedad relativa.
1.2.1 FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
La transferencia de masa y energía en el secado depende de una serie de factores que van desde condiciones internas a externas [3].
Las condiciones externas están definidas por la resistencia a la transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie libre de agua.
Las condiciones internas están definidas, por la transferencia de calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades del sólido.
Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos: - Transmisión del calor para evaporar el líquido.
- Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado.
1.2.2 MOVIMIENTO DE LA HUMEDAD DENTRO DEL SÓLIDO
Cuando se produce la evaporación superficial, debe haber un movimiento de humedad desde las profundidades del sólido hacia la superficie.
Alimento
Aplicando calor se produce vapor de agua
El vapor se transporta a la superficie del alimento
El vapor es “arrastrado” por el aire a alta temperatura. Se crea un gradiente de presión.
4
A continuación se explicarán brevemente algunas de las teorías que se adelantaron para explicar el movimiento de la humedad y la relación de ésta con las curvas de régimen.
1.2.2.1 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE HUMEDAD
Los mecanismos de transferencia de humedad líquida son:
Difusión líquida.: Se puede producir la difusión de la humedad líquida debido a los gradientes de concentración entre las profundidades del sólido, donde la concentración es alta y la superficie donde está es baja [5].
Movimiento capilar. La humedad libre en sólidos granulares y porosos tales como arcillas, pigmentos de pinturas y otros semejantes, se traslada a través de capilares e intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que utiliza las fuerzas de tensión superficial. Los capilares se extienden desde pequeños receptáculos de humedad dentro del sólido hasta la superficie de secado. A medida que se lleva a cabo el secado, al principio la humedad se traslada por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo constante el régimen de secado.
Difusión de vapor. Especialmente si se suministra calor a una superficie de un sólido mientras en otra el secado continúa, se puede evaporar la humedad debajo de la superficie, difundiéndola hacia afuera como vapor. También se pueden evaporar debajo de la superficie, las partículas de humedad existentes en sólidos granulares en forma aislada de la porción mayor de humedad que fluye a través de los capilares.
Presión. Durante el secado debido a la concentración de las capas externas de un sólido, se puede transferir la humedad hacia la superficie.
Usualmente solo podemos conjeturar sobre cual de los mecanismos es el apropiado para cada sólido en particular, debiendo apoyarnos en el trabajo más o menos empírico de los regímenes experimentales de secado.
Algunas teorías asumen que el secado se da por los fenómenos de convección y de difusión, por lo que se debe analizar por separado el mecanismo dentro y fuera del alimento.
1.2.2.2 TRANSFERENCIA DE HUMEDAD EN EL INTERIOR DEL SÓLIDO
La humedad se transfiere desde el interior del sólido por difusión, y de la superficie al medio que la rodea por convección. Si se hace un balance de materia para el agua en una superficie de control localizada en la superficie del sólido, se llega a la conclusión que la tasa a la cual llega el agua desde el interior necesariamente tiene que ser igual a la tasa con la cual se remueve desde la superficie, pues no se puede acumular. Pero además, el proceso se complica por desarrollarse en estado transitorio, ya que la concentración del agua en el sólido está continuamente decreciendo.
La ecuación que rige la difusión unidimensional para una sustancia con propiedades constantes dentro del sólido que se escribe como:
dx dC D A w
AB A
−
5
Entre mayor sea el área superficial, mayor será la transferencia de masa. Por esta razón, los alimentos y los sólidos se secan mejor si se dividen en piezas pequeñas o capas delgadas.
1.3 RAPIDEZ DE SECADO CRECIENTE Y DECRECIENTE
La intensidad de evaporación se determina a través de la rapidez de secado, que es el cambio de humedad (base seca) en el tiempo.
1.3.1 FUNDAMENTO TEÓRICO
Existen muchos mecanismos posibles de secado, pero aquellos que controlan el secado de una partícula dependen de su estructura y de los parámetros de secado-condiciones de secado (temperatura, velocidad y humedad relativa del aire), contenido de humedad, dimensiones, superficie expuesta a la rapidez de transferencia, y contenido de humedad de equilibrio de la partícula.
A partir de las curvas cinética de secado, que deben ser obtenidas en un laboratorio, puede tenerse una idea del tiempo de secado, del consumo de energía, del mecanismo de migración de humedad, de las condiciones predominantes en la transferencia de calor y masa y de la influencia que tienen en la rapidez de secado las variables del proceso tales como: temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc.
Con los datos obtenidos durante la prueba de secado o sea de la variación de la humedad con el tiempo, puede hacerse una gráfica de contenido de humedad en función del tiempo [5] como se muestra en la figura 1.3.1. Esta gráfica será útil para la determinación directa del tiempo necesario en el secado discontinuo de grandes partidas bajo las mismas condiciones de secado [4], estas curvas generalmente se realizan durante el diseño y escalamiento de los secadores.
6
Figura 1.3.1 Representación esquemática de las curvas de secado.
1.3.2 PERIODO INICIAL DE SECADO A VELOCIDAD CONSTANTE
El cereal extruido es una mezcla de harinas derivadas de cereales que se hacen pasar por un extrusor para cocerlos y darles forma, se envían a la etapa de secado. Por un corto tiempo, el cereal extruído se comporta como si su superficie en contacto con el aire estuviera completamente mojada. La rapidez de secado es constante y es determinada por el flujo de evaporación de agua, que depende de la temperatura del agua, temperatura del aire, humedad, presión, velocidad del aire y en alguna medida, del tamaño y la forma de la superficie y de la dirección del aire en movimiento [9]. En la realidad, la superficie no puede estar completamente mojada, pero puede tener agua en una estructura porosa o cóncava; o el agua dentro del cereal extruído se puede mover lo suficientemente rápido para que la superficie se comporte como si estuviera mojada.
Contenido de agua
Tiempo
Rapidez de secado
Tiempo
Temperatura m
T
7
En este caso, la rapidez de secado es casi constante y se asume que es controlada por la rapidez de evaporación.
En la figura 1.32 (a) y (b) se muestran algunas curvas idealizadas de secado, tanto en función del tiempo como en contenido de humedad. Por un tiempo pequeño, que
corresponde a la línea AB, el producto y el agua en él están siendo calentadas a la
temperatura en la cual el agua evapora más fácilmente. El periodo de secado constante
corresponde a la línea BC, la rapidez de secado es esencialmente la rapidez de
evaporación, como si no hubiera sólido presente. La temperatura de la superficie del producto y la del agua durante este periodo es muy cercana a la temperatura de bulbo húmedo del aire.
(a) (b)
Figura 1.3.2 Curvas idealizadas de secado (a) Tasa de secado VS tiempo (b) Tasa de secado VS humedad
Los factores de mayor importancia en determinar la rapidez de secado son la rapidez de transferencia de masa y de calor, el área de superficie expuesta al flujo de aire y las diferencias entre la temperatura y la humedad del aire y en la superficie del producto húmedo [10]. La rapidez de transferencia de masa y calor está gobernada por los coeficientes de transferencia asociados, que están directamente relacionados a la velocidad y la temperatura del aire sobre el producto; esto es, un incremento en la velocidad del aire o en su temperatura, incrementa la rapidez de secado. La fuerza impulsora para la evaporación es la diferencia entre la presión de vapor del agua en el producto y la presión parcial de vapor en el flujo de aire afectando el producto. Cualquier diferencia entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo del aire, también acelerará el secado.
8
1.3.3 PERIODO DE SECADO A RAPIDEZ DECRECIENTE
En cierto contenido de humedad, toda la humedad de la superficie (o la humedad que puede ser transportada a la superficie fácil y rápidamente) se ha evaporado y la superficie ya no está mojada completamente. La rapidez de secado disminuye, como se
muestra en el segmento CD de la curva en la figura 1.3.2 (a). Esto es llamado el periodo
de rapidez decreciente. Algunos productos pueden mostrar múltiples periodos de rapidez decreciente y la mayoría de los cereales extruídos se encuentran dentro de esta categoría.
El contenido de humedad en el producto en el punto de quiebre (punto C) de la curva
de secado de la figura 1.3.2 (b) es llamado contenido crítico de humedad. La
humedad crítica no es una propiedad específica del producto pero está relacionada con las características físicas del cereal extruído (tal como tamaño, forma, estructura y densidad) y las propiedades del aire circundante (tal como temperatura, humedad y velocidad del aire) [11]. En la realidad, el contenido crítico de humedad y una clara definición entre las zonas de secado constante y decreciente no pueden ser claramente observadas. En general, la humedad crítica ocurre en la primera zona de un secador o en la primera parte de la 2a. zona. El resto de secado sucede en uno o más periodos de rapidez decreciente.
En el periodo de rapidez decreciente, el secado ocurre por la evaporación del agua en donde se asumen condiciones de saturación. Se considera que la humedad es vaporizada y entonces transportada a la superficie en estado gaseoso para ser transportada por el aire. El mecanismo dominante que afecta la rapidez de secado es la difusión de la humedad a la superficie. En la realidad, el mecanismo puede no ser difusional completamente y a nivel molecular se puede envolver adsorción y fuerzas de enlace así como las dificultades macroscópicas de la estructura celular [13]. Sin embargo, la teoría matemática de la difusión provee un práctico modelo para el secado de los cereales extruídos.
En forma general, la ecuación de la Ley de Fick para la difusión se expresa de la manera siguiente:
dx dC DAB
− (1.3.1)
Según la teoría de la difusión, la difusividad es normalmente asumida como constante. Wingen [15] usó una rutina de computadora para determinar la siguiente relación empírica del coeficiente de difusión:
T HR AB D 580 , 5 ) 96 . 2 ( exp exp 68 . 8 − = (1.3.2)
Si se asume que el flujo de aire que pasa a través del producto es adecuado para la transferencia de calor, el secado en periodo de rapidez decreciente depende principalmente de la temperatura del aire, humedad relativa del aire y el tamaño de la partícula.
9
Datos experimentales [15] han mostrado que disminuyendo la humedad relativa del aire también incrementa la rapidez de secado, lo que facilitaría la operación de secado, pero aumentaría los costos energéticos. Una humedad relativa alta también afecta el endurecimiento del cereal extruido [15], ya que se debe aumentar la temperatura de secado, lo que ocasiona la formación de una capa dura alrededor del producto a secar volviéndola menos permeable a la salida del vapor de agua.
1.4 SECADO DE ALIMENTOS
Todos los alimentos, cualquiera que sea el método de industrialización o que hayan sido sometidos, contienen agua en mayor o menor proporción. En los tejidos animales o vegetales, puede decirse que existen en dos formas generales: agua libre y agua ligada. El agua libre o absorbida, que es la forma predominante, se libera con gran facilidad y es estimada en la mayor parte por los métodos usados para el cálculo del contenido de agua. El agua ligada se halla combinada o absorbida, se encuentra en los alimentos como agua de cristalización (en los hidratos) o ligada a las proteínas o a las moléculas de sacáridos. El agua ligada puede expresarse por medio de la actividad de agua, que esta relacionada con la estabilidad de los alimentos como se muestra en la figura 1.4.1.
El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más fuerte es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el secado el enlace de la humedad con el material se altera.
F igura 1.4.1 Influencia de la actividad del agua en la estabilidad de alimentos.
10
organolépticas aunque los pre-tratamientos con métodos combinados antes del secado pueden mejorar las propiedades del alimento y reducen las reacciones de degradación. En el diseño e implementación de la etapa de secado y la selección de un secador, que es una pieza clave en la manufactura de productos derivados de cereal, ya sea como paso final o intermedio en el proceso, al menos seis reglas fundamentales deben ser observadas [32]. Estas son:
• Distribución uniforme de producto. Para mantener una humedad final consistente es
crítico que el producto a ser secado esté uniformemente distribuido en la alimentación al secador.
• Distribución uniforme del flujo de aire. Ya que el aire circulante dentro del secador
provee un medio de calentamiento del producto, y para la evaporación y remoción de la humedad de cada pellet de cereal, la calidad del proceso entero depende de la uniformidad del flujo de aire.
• Adecuada remoción del aire de deshecho. El aire cargado de humedad debe ser
removido del secador para completar el proceso de secado. Para una operación eficiente, el aire de deshecho debe ser removido del secador en un punto en que el aire recirculado contenga el mayor contenido de humedad y la mayor caída de temperatura después de pasar por el lecho de producto.
• Diseño eficiente del lecho de producto. Para ayudar el proceso de secado, es crucial
que las perforaciones de la banda transportadora sean diseñadas tanto para prevenir que el producto pueda pasar a través de ellas (un tamizado) como para proveer la suficiente área abierta necesaria para mantener una recirculación uniforme del flujo de aire.
• Seguridad sanitaria. El diseño global del secador debe eliminar áreas donde el
producto o sus finos puedan quedar atrapados.
• Eficiencia energética. El costo de operación del secador debe ser disminuido al
mínimo ya sea por diseño del mismo o por parámetros de operación sin reducir la calidad del producto seco.
11
CAPÍTULO 2
EL SECADO INDUSTRIAL
Debido a que la humedad es uno de los factores que contribuyen seriamente a la descomposición de alimentos o a la apariencia o funcionalidad de otros productos, se han diseñado secadores orientados al secado de cierto tipo de alimentos o productos. En este capítulo se describirán los tipos de secadores existentes en el mercado actualmente, también se describirán tanto los parámetros del proceso de secado y del producto. En las últimas secciones se describirán los parámetros más importantes que influyen en el diseño de un secador convectivo y el patrón de secado.
2.1 EQUIPO PARA SECADO
Hay varias maneras de clasificar los equipos de secado. Las dos clasificaciones más útiles se basan en: 1) el método de transmisión de calor a los sólidos húmedos, y 2) las características de manejo del producto y las propiedades físicas del material mojado.
El primer método de clasificación revela las diferencias en el diseño y el funcionamiento del secador, mientras que el segundo es más útil para seleccionar entre un grupo de secadores que se someten a una consideración preliminar en relación con un problema de secado específico.
En la figura 2.1.1 se muestra un diagrama de clasificación de los equipos de secado basada en la transmisión o transferencia de calor. Esta gráfica agrupa los secadores clasificándolos como directos o indirectos, estipulando subclases de operación continua o en lotes.
La característica principal de los secadores directos es que el calor y la humedad son añadidos o removidos del sólido por intercambio directo entre el aire y el sólido.
Los secadores indirectos o de conducción o de contacto difieren de los directos en la transmisión de calor y la separación de vapor.
• El calor se transfiere al material húmedo por conducción a través de una pared de retención de
sólidos, casi siempre de índole mecánica. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de secado depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes.
• Las temperaturas de superficie pueden variar desde niveles inferiores al de congelación en el
caso de secadores de congelación hasta mayores de 500°C en el caso de secadores indirectos
calentados por medio de productos de combustión.
• Los secadores indirectos son apropiados para secar a presiones reducidas y en atmósferas
inertes, para poder recuperar los disolventes y evitar la formación de mezclas explosivas o la oxidación de materiales que se descomponen con facilidad.
• Los secadores indirectos que utilizan fluidos de condensación como medio de calentamiento son
en general económicos, desde el punto de vista de consumo de calor, ya que suministran calor sólo de acuerdo con la demanda hecha por el material que se está secando.
• La recuperación de polvos y materiales finamente pulverizados se maneja de un modo más
12
Figura 2.1.1 Clasificación de secadores basado en el método de transferencia de calor
Los secadores infrarrojos utilizan la transmisión de energía radiante para evaporar la humedad. La energía radiante se suministra eléctricamente por medio de lámparas infrarrojas, resistencias eléctricas o refractarios incandescentes calentados por gas. Este último método ofrece la ventaja adicional del calentamiento por convección. El calentamiento infrarrojo no se utiliza comúnmente en la industria química para eliminar humedad, y su aplicación principal es el horneado o la desecación de capas de pintura y en el calentamiento de capas delgadas de materiales.
Los secadores dieléctricos no han encontrado hasta ahora un campo muy amplio de aplicación. Su característica fundamental de generación de calor dentro de los sólidos revela potencialidades de secado de objetos geométricos masivos, como madera, diferentes formas de hule espuma y objetos de cerámica. Los costos de energía aumentan hasta diez veces el costo del combustible por métodos tradicionales.
2.1.1 SECADORES DIRECTOS O DE CONVECCIÓN
Las características generales de operación de los secadores directos o de convección son [6]:
• Se aprovecha el contacto directo entre los gases calientes y los sólidos para calentar estos
últimos y separar el vapor. El líquido vaporizado se arrastra con el medio de secado; es decir, con los gases calientes.
• Las temperaturas de secado varían hasta 720°C, que es la temperatura limitante para casi todos
los metales estructurales de uso común. A mayores temperaturas, la radiación se convierte en un mecanismo de transmisión de calor de suma importancia.
• A temperaturas del aire de secado inferiores al punto de ebullición del agua, el contenido de
humedad del aire influye en la velocidad de secado y el contenido final de humedad en el sólido. Con temperaturas del aire superiores al punto de ebullición, el contenido de humedad del aire
Secadores
Secadores Directos o de Convección Secadores Infrarrojos o de calor radiante,
o de calor dieléctrico Secadores Indirectos de conducción Continuos Por lotes
Secadores Continuos de Bandejas
Secadores continuos de material dosificado en una capa
Secadores de transportador neumático
Secadores rotatorios
Secadores por aspersión
Secadores de circulación directa
Secadores de túnel
Lechos fluidos
Secadores por lotes de circulación directa Secadores de bandejas
y compartimientos Lechos fluidos
Continuos Por lotes
Secadores de cilindro
Secadores de tambor
Secadores de transportador de tornillo Secadores rotatorios de
tubo de vapor Secadores de bandejas
vibratorias Tipos especiales
Secadores de artesas agitadas
Secadores por congelacion
Secadores rotatorios al vacio
Secadores de bandejas al vacio
Secadores Horizontales
Secadores Verticales
Un paso
13
tiene sólo un ligero efecto de retraso en la rapidez de secado y el contenido final de humedad del producto a secar.
• Para secado a temperaturas bajas y cuando las humedades atmosféricas son excesivamente
elevadas, quizá sea necesario deshumidificar el aire de desecación.
• Un secador directo consume más combustible por kilogramo de agua evaporada cuanto más bajo
sea el contenido de humedad.
• La eficiencia mejora al aumentarse la temperatura del aire de secado de entrada, para una
temperatura de salida constante.
• Debido a las grandes cantidades de aire que se necesitan para abastecer todo el calor de
secado, el equipo de recuperación del polvo puede ser muy grande y costoso cuando se trata de secar partículas muy pequeñas.
2.1.1.1 SECADORES DIRECTOS CONTINUOS
Las partes básicas de un equipo de secado son: un sistema para hacer fluir el aire, consistente en abanicos o sopladores, además de los ductos por donde ocurre el contacto con el material a secar; una fuente de energía; y por último, un sistema para dispersar y/o transportar la fase sólida a través del aire en el secador.
La operación es continua, sin interrupciones, en tanto se suministra la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.
a) Secadores de bandejas
En los secadores de bandejas, que también se llama secadores de anaqueles, de gabinete o de compartimento, el material que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal con una profundidad de 0.01-0.1 m. Un secador de bandejas típico, tal como el que se muestra en la figura 2.1.2, contiene bandejas que se cargan y descargan de un gabinete.
Figura 2.1.2 Secador de bandejas o anaqueles
Un ventilador recircula el aire recalentado con vapor sobre la superficie en las bandejas, paralelamente a las mismas. Más o menos el 10-20% del aire que pasa sobre las bandejas es aire fresco o nuevo, siendo el resto aire recirculado, lo que se encuentra representado en la figura 2.1.3.
Persianas ajustables
Salida de aire
Ventilador Bandejas
14
Figura 2.1.3 Circulación de aire en secador industrial típico de bandejas.
Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se reemplazan con otras con más material para secar. Una de las modificaciones de este tipo de secador es de las bandejas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen al secador. Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador.
En caso de materiales granulares, el material puede colocarse sobre bandejas cuyo fondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho permeable, obteniéndose tiempos de secado más cortos debido a la mayor área superficial expuesta al aire.
b) Secadores continuos de material dosificado en una sola capa
Se hace pasar el material por una capa o lámina continua de material, ya sea en una lámina tensa y distendida sobre un marco con clavijas.
c) Secadores de transportador neumático
Este tipo de secado se realiza a menudo en combinación con la trituración. El material se transporta dentro de gases a alta temperatura y velocidades elevadas hasta un colector de ciclón.
D) SECADORES ROTATORIOS O ROTATIVO
Un secador rotativo consiste en un cilindro hueco que gira sobre su eje, por lo general con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior tal y como se muestra en la figura 2.1.4 y se mueven por el cilindro a medida que éste gira.
Figura 2.1.4 Diagrama esquemático de un secador rotatorio con calentamiento directo
15
la pared calentada del cilindro. Las partículas granulares se mueven hacia adelante con lentitud y en contracorriente con el aire caliente.
e) Secadores por aspersión o pulverización
En un secador por aspersión o pulverización, un líquido o una suspensión se pulveriza o se rocía con una corriente de gas o aire caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se vaporiza de dichas gotas con rapidez, obteniéndose partículas secas de sólido que se separan de la corriente de gas o aire. El flujo de gas o aire y de líquido de la cámara de pulverización puede ser a contracorriente o concurrente.
Figura 2.1.5 Diagrama de secador por pulverización
Las gotas finas se forman al introducir el líquido en toberas de pulverización o discos giratorios de rociado de alta velocidad, en el interior de una cámara cilíndrica. Es necesario asegurarse de que las gotas o partículas húmedas del sólido no choquen ni se adhieran a las superficies sólidas antes de que se hayan secado. Por consiguiente, es necesario emplear cámaras bastante grandes.
Los sólidos secos salen por el fondo de la cámara a través de un transportador de tornillo. Los gases de escape fluyen hacia un separador de ciclón para filtrar las partículas muy finas. Las partículas que se obtienen son muy ligeras y bastante porosas. La leche en polvo se obtiene mediante este proceso.
f) Secadores de circulación directa
El material se mantiene en un tamiz de transporte continuo, mientras se sopla aire caliente a través de él. Estos secadores pueden sub-clasificarse a su vez en secadores de un solo paso y de múltiples pasos.
Los secadores de un solo paso son usados para aquellos cereales que requieren horneado y/o tostado como primeros pasos, cuando la humedad se considera como un factor secundario. Sin embargo, los secadores de múltiples pasos son los más ampliamente usados para el secado de la mayoría del cereal extruido.
Los secadores de múltiples pasos verticales u horizontales tienen algunas ventajas sobre otros diseños. El producto puede ser secado en capas de producto más finas con razones de secado elevadas y con lechos más gruesos cuando la rapidez o velocidad de secado se disminuye.
16
exposición al aire de secado, resultando en un secado más uniforme. Con el variador de velocidad en cada transportador, la curva de secado para cierto producto puede ser optimizada o modificada como se desee.
Cuando la mayoría de la humedad es removida del producto en el lecho más fino, la habilidad de secado no cambia mucho a través del lecho, lo que conlleva pequeños diferenciales de temperatura y humedad y resulta en un producto más uniforme también a través del lecho de secado. Este tipo de secadores (especialmente los verticales) también requieren menos área en el piso.
Debido a la importancia industrial de ambos tipos de secadores, horizontales y verticales, en este capítulo se ahondará mas en las particularidades de cada uno de ellos.
f.1) SECADORES HORIZONTALES
Los secadores horizontales son muy populares en la industria, caben en edificios con techo bajo y el mantenimiento puede hacerse desde el piso. Estos secadores pueden construirse de 1, 2 ó 3 pasos. La figura 2.1.6 muestra una foto de un secador industrial de múltiples pasos.
Los pasos múltiples permiten el uso de un área menor y a través de los años estos secadores han mejorado; han incrementado las temperaturas de las zonas, cambiado sus patrones de flujo, mejoras a las puertas de acceso, etc., lo que ha permitido que cuando están correctamente ajustados se obtenga una diferencia de humedad de
0.5%
± de la parte superior a la inferior o de lado a lado del lecho.
Figura 2.1.6 Secador horizontal de múltiples pasos.
Estas mediciones de uniformidad del secador son tomadas a la descarga final del secador y se hace un muestreo a través del lecho del producto, tanto del lecho superior como de la inferior.
f.2) SECADORES VERTICALES
17
edificio mucho más alta y la limpieza no es tan fácil como en los horizontales debido a la altura y los espacios pequeños.
Figura 2.1.7 Secador vertical multi-etapa
g) Secadores continuos de túnel
Los secadores continuos de túnel suelen ser compartimentos de bandejas o carretillas operando en serie, tal como se muestra en la figura 2.1.8. Los sólidos se colocan sobre las bandejas o en carretillas que se mueven continuamente por un túnel con aire caliente. El flujo de aire caliente puede ser a contracorriente o cruzado o una combinación de ambas.
Cuando se desean secar partículas sólidas granulares, pueden utilizarse transportadores perforados o de fondo de tamiz, como el que aparece en la figura 2.1.9. Los sólidos granulares húmedos se transportan en forma de una capa que tiene entre 0.095-0.150 m de profundidad, sobre una superficie de tamiz o perforada a través de la cual se fuerza el paso de aire caliente, ya sea hacia arriba o hacia abajo. El secador consiste de diversas secciones en serie, cada una con un ventilador y serpentines de calentamiento.
Un ventilador adicional extrae cierta cantidad de aire hacia la atmósfera. En algunos casos, los materiales en forma de pasta pueden preformarse en cilindros y colocarse sobre el transportador para secarse.
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Figura 2.1.9 Secador de banda transportadora con circulación cruzada
h) Lecho fluidizado
El secador de lecho fluidizado representado en la figura 2.1.10 tiene varias ventajas importantes si se compara con técnicas de secado convencionales.
• Altas tasas de transferencia de calor y masa
• Los tiempos de secado y por tanto los tiempos de permanencia varían entre unos
segundos y unos minutos - a menudo se necesitan menos de 15 minutos para un secado completo aunque varía en función del producto a secar.
• Los secadores pueden ser diseñados para secar materiales con contenido de
humedad desde menos del diez por ciento hasta más del 80 por ciento.
• El intervalo de temperaturas de secado varía desde temperatura ambiente hasta
200°C, que cubre la mayoría de las operaciones de secado.
• Pueden procesarse una amplia variedad de materiales, incluyendo compuestos
orgánicos e inorgánicos, fármacos, alimentos y combustibles, minerales y materiales aglomerantes.
El secador puede utilizarse con una amplia variedad de materiales incluyendo polvos finos, partículas gruesas, cristales, gránulos o incluso pulpas o pastas (tras decantado o pre-secado o por atomización sobre un lecho inicial del material seco).
Los materiales sensibles al calor, por ejemplo alimentos tales como guisantes, trigo o lentejas, pueden ser secados en un lecho a temperaturas relativamente bajas.
19 2.1.1.2 Secadores directos por lotes
Los secadores se diseñan para operar con un tamaño específico de lote de alimentación húmeda, para ciclos de tiempo dados. En los secadores por lotes, las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto del equipo.
a) Secadores por lotes de circulación directa
El material se coloca en bandejas con base tamiz a través de las cuales se sopla aire caliente.
b) Secadores de bandejas y compartimentos
El material se coloca en bandejas que pueden o no montarse en carretillas removibles. La figura 2.1.11 muestra un secador de bandejas de laboratorio en el cual el aire se sopla sobre el material contenido en las bandejas. Dentro de este tipo de secadores se pude mencionar el secador de cosechas y granos, ya que en el secado de granos de una cosecha, el grano contiene aproximadamente 30-35% de humedad y para poder almacenarlos sin problemas durante un año deben secarse hasta obtener un 13% de humedad en peso.
Figura 2.1.11 Secador de bandejas de laboratorio
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Figura 2.1.12 Secador de granos 2.1.2 SECADORES INDIRECTOS O DE CONDUCCIÓN
El calor de desecación se transfiere al sólido húmedo a través de una pared de retención. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La rapidez de secado depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes.
2.1.2.1 SECADORES INDIRECTOS CONTINUOS
El secado se efectúa haciendo pasar el material de manera continua por el secador y poniéndolo en contacto con las superficies calientes.
a) Secadores de cilindro
