Construcción y puesta en marcha de un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado

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(1)IQ-2005-1-05. CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN SECADOR DE BANDEJAS DIRECTO PARA LA OBTENCIÓN DE CURVAS DE SECADO. ANGÉLICA DEL PILAR CÁRDENAS GÓMEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ JULIO DE 2005. 1.

(2) IQ-2005-1-05. CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN SECADOR DE BANDEJAS DIRECTO PARA LA OBTENCIÓN DE CURVAS DE SECADO. ANGÉLICA DEL PILAR CÁRDENAS GÓMEZ. Tesis de Grado. Asesor: Edgar Mauricio Vargas Coasesor: Gabriel Camargo. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ JULIO DE 2005. 2.

(3) IQ-2005-1-05. NOTA DE ACEPTACIÓN. --------------------------------------. --------------------------------------. --------------------------------------. --------------------------------------. 3.

(4) IQ-2005-1-05. “Dedico este trabajo a mi familia por creer en mi y estar siempre a mi lado, ayudándome a cumplir mis sueños. Esto nunca hubiera sido posible sin el apoyo e interés de ustedes, gracias”.. 4.

(5) IQ-2005-1-05. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos: A Edgar Vargas, Ingeniero Químico, asesor del proyecto. Por confiar en mi, por su orientación y apoyo. A Gabriel Camargo, Ingeniero Químico, coasesor del proyecto. Por su valiosa orientación e interés durante todo el desarrollo del proyecto. A Industrias Químicas FIQ, en especial a Omar Rodríguez, por los aportes al proyecto y su asesoría. A Josué Ramírez por su ayuda incondicional. Al personal del CIPP por su ayuda y compañía. A mis compañeros y amigos de toda la carrera, en especial a los que me acompañaron durante el desarrollo de este trabajo. A Jonathan porque a pesar de la distancia me apoyó y dio ánimo para sacar adelante este proyecto y los últimos semestres de la carrera.. 5.

(6) IQ-2005-1-05. TABLA DE CONTENIDO 1.. OBJETIVOS...............................................................................................13 1.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................13 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................13 2. JUSTIFICACIÓN........................................................................................14 3. FUNDAMENTO TEÓRICO ........................................................................15 3.1 El secado.................................................................................................15 3.2 Clasificación de las Operaciones de Secado ..........................................15 3.2.1 Método de Operación .......................................................................15 3.2.2 Método de obtención de calor necesario para la evaporación de humedad....................................................................................................16 3.2.3 Naturaleza del material que se va a secar........................................16 3.3 Factores que influyen en el proceso de secado ......................................17 3.3.1 Temperatura del aire.........................................................................17 3.3.2 Humedad del aire .............................................................................17 3.3.3 Velocidad del aire ............................................................................17 3.3.4 Dirección del flujo de aire..................................................................18 3.4 Comportamiento General del Secado ....................................................18 3.4.1 Periodo de estado inestable .............................................................19 3.4.2 Periodo de velocidad constante........................................................19 3.4.3 Contenido crítico de humedad ..........................................................20 3.4.4 Periodo de velocidad decreciente .....................................................20 3.4.5 Contenido de Humedad de Equilibrio ...............................................20 3.5 Tiempo de secado ...................................................................................21 3.5.1 Periodo de velocidad constante........................................................22 3.5.2 Periodo de velocidad decreciente .....................................................22 3.6 Coeficientes de transferencia de masa y calor........................................22 4. ANTECEDENTES.........................................................................................24 5. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO ......................................................................26 5.1 Descripción general del equipo ...............................................................26 5.2 Dimensionamiento y descripción detallada del equipo............................27 5.2.1 Ventilador..........................................................................................28 5.2.1.1 Calculo de la potencia del ventilador: ............................................31 5.2.1.2 Selección del Ventilador ................................................................33 5.2.2 Resistencias de calentamiento del aire.............................................33 5.2.3 Cámara de humidificación ................................................................37 5.2.4 Cámara de secado ...........................................................................42 5.2.5 Sistema de control y medición ..........................................................43 5.2.5.1 Temperatura de la cámara de secado ...........................................44 5.2.5.2 Temperatura del tanque que contiene el agua usada para la humidificación ............................................................................................45 5.2.5.3 Humedad, temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo del aire .........................................................................................45 5.2.5.4 Flujo de aire ...................................................................................45 5.2.5.5 Temperatura superficial del material..............................................46 5.2.5.6 Peso del sólido ..............................................................................46. 6.

(7) IQ-2005-1-05. 6. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO..................................................................47 7. PUESTA EN MARCHA .................................................................................48 7.1 Auto-tunning de los controladores...........................................................48 7.2 Tiempo de respuesta de los controladores..............................................48 7.3 Comportamiento de la balanza con la variación del flujo de aire.............49 7.4 Calibración de los instrumentos de medición ..........................................49 7.5 Pruebas de secado .................................................................................49 7.5.1 Pruebas de secado preliminares (sin pretratamiento del banano)....49 7.5.2 Pruebas de secado con pretratamiento del banano .........................51 7.5.2.1 Enunciado del problema ................................................................52 7.5.2.2 Elección de los factores y niveles ..................................................52 7.5.2.3 Número de pruebas .......................................................................53 7.5.2.4 Nomenclatura de las pruebas ........................................................53 7.5.2.5 Proceso experimental ....................................................................53 8. RESULTADOS Y ANÁLISIS .........................................................................54 8.1 Curvas de secado .......................................................................................54 8.1.1 Contenido de humedad en función del tiempo..................................54 8.1.2 Velocidad de secado en función del contenido de humedad ............55 8.1.3 Temperatura superficial en función del tiempo .................................59 8.2 Análisis Estadístico .................................................................................61 9. CONCLUSIONES .........................................................................................65 10. RECOMENDACIONES ...............................................................................66 11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................67 ANEXO A. Procedimiento para realizar las pruebas de secado. ......................69 A.1 Pruebas de secado sin pretratamiento del banano.................................69 A 2. Pruebas de secado con pretratamiento del banano...............................70 ANEXO B. Datos experimentales. ....................................................................71 B 1. Pruebas de secado sin pretratamiento del banano...............................72 B 2. Pruebas de secado con pretratamiento del banano...............................76 ANEXO C. Fotografías del equipo y productos obtenidos. ...............................92 ANEXO D. Carta psicrométrica de Bogotá. ......................................................96 ANEXO E. Costo del Equipo.............................................................................97. 7.

(8) IQ-2005-1-05. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Curvas de secado en condiciones constantes. Fuente: Autor.............18 Figura 2. Área bajo la curva 1/N. Fuente: Autor......................................................22 Figura 3. Vista Frontal del Secador. Fuente FIQ. ...................................................27 Figura 4. Vista superior del Secador. Fuente FIQ. .................................................28 Figura 5. Esquema simplificado del secador. Fuente: Autor.................................31 Figura 6. Zona de Calentamiento del aire. Vista superior. ..................................36 Figura 7. Zona de Calentamiento del aire. Vista frontal. ......................................37 Figura 8. Zona de Calentamiento del aire. Vista frontal. ......................................37 Figura 9. Humidificación con vapor. ..........................................................................38 Figura 10. Tanque de Agua. Vista Superior y Frontal. Fuente: FIQ. ...................41 Figura 11. Cámara de Humidificación. Vista Superior. .........................................41 Figura 12. Cámara de Humidificación. Vista Frontal.............................................42 Figura 13. Cámara de Humidificación. Vista Lateral. ............................................42 Figura 14. Cámara de Secado. Vista Frontal y Lateral..........................................43 Figura 15. Sistema de control del equipo. Fuente: Autor y FIQ. ..........................44. 8.

(9) IQ-2005-1-05. LISTA DE GRÁFICAS. Gráfica 1. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor.............50 Gráfica 2. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor. ..............................................................................................................................50 Gráfica 3. Comparación de la temperatura superficial del sólido en función del tiempo entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor. ..............................................................................................................................51 Gráfica 4. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre las diferentes pruebas de secado, de la réplica 1. Fuente: Autor. .......................54 Gráfica 5. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre las diferentes pruebas de secado, de la réplica 2. Fuente: Autor. .......................55 Gráfica 6. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre las diferentes pruebas de secado de la réplica 1. Fuente: Autor. .........................................................................................................................................56 Gráfica 7. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre las diferentes pruebas de secado de la réplica 2. Fuente: Autor. .........................................................................................................................................56 Gráfica 8. Comparación de la temperatura en función del tiempo entre las diferentes pruebas de la réplica 1. Fuente: Autor. ..................................................59 Gráfica 9. Comparación de la temperatura en función del tiempo entre las diferentes pruebas de la réplica 2. Fuente: Autor. ..................................................59 Gráfica 10. Efectos principales de los factores en el tiempo de secado. Fuente: Autor. ..............................................................................................................................62 Gráfica 11. Interacción de los factores en el tiempo de secado. Fuente: Autor.62. 9.

(10) IQ-2005-1-05. LISTA DE TABLAS Tabla 1. Equipos de secado estudiados. Fuente: Autor. .......................................24 Tabla 2. Tiempo de respuesta para el calentamiento del aire. Fuente: Autor. ..48 Tabla 3. Factores de diseño que se mantuvieron constantes durante la experimentación. Fuente: Autor.................................................................................52 Tabla 4. Factores y niveles seleccionados. Fuente: Autor....................................52 Tabla 5. Nomenclatura de pruebas. Fuente: Autor.................................................53 Tabla 6. Resultados del tiempo de secado obtenido en las..................................61 Tabla 7. Promedio de los datos obtenidos y sus réplicas ....................................62 Tabla B 1. Datos experimentales de la prueba de secado preliminar 1. Fuente: Autor. ..............................................................................................................................72 Tabla B 2. Datos experimentales de la prueba de secado preliminar 1(continuación). Fuente: Autor...................................................................................73 Tabla B 3. Datos experimentales de la prueba de secado preliminar 2. Fuente: Autor. ..............................................................................................................................74 Tabla B 4. Datos experimentales de la prueba de secado preliminar 2 (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................75 Tabla B 5. Datos experimentales de la prueba de secado V1T1 (R1). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................76 Tabla B 6. Datos experimentales de la prueba de secado V1T1 (R1) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................77 Tabla B 7. Datos experimentales de la prueba de secado V1T1 (R2). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................78 Tabla B 8. Datos experimentales de la prueba de secado V1T1 (R2) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................79 Tabla B 9. Datos experimentales de la prueba de secado V1T2 (R1). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................80 Tabla B 10. Datos experimentales de la prueba de secado V1T2 (R1) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................81 Tabla B 11. Datos experimentales de la prueba de secado V1T2 (R2). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................82 Tabla B 12. Datos experimentales de la prueba de secado V1T2 (R2) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................83 Tabla B 13. Datos experimentales de la prueba de secado V2T1 (R1)..............84 Tabla B 14. Datos experimentales de la prueba de secado V2T1 (R1) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................85 Tabla B 15. Datos experimentales de la prueba de secado V2T1 (R2)..............86 Tabla B 16. Datos experimentales de la prueba de secado V2T1 (R2) (continuación). ..............................................................................................................87 Tabla B 17. Datos experimentales de la prueba de secado V2T2 (R1). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................88 Tabla B 18. Datos experimentales de la prueba de secado V2T2 (R1) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................89 Tabla B 19. Datos experimentales de la prueba de secado V2T2 (R2). Fuente: Autor. ..............................................................................................................................90. 10.

(11) IQ-2005-1-05. Tabla B 20. Datos experimentales de la prueba de secado V2T2 (R2) (continuación). Fuente: Autor. ....................................................................................91. 11.

(12) IQ-2005-1-05. RESUMEN. En este proyecto de construcción y puesta en marcha de un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado, se desarrollaron las diferentes etapas de la ingeniería (conceptual, básica y detallada), con el fin de construir un equipo para el laboratorio de ingeniería química que fuera lo más versátil posible. Es decir que permitiera modificar con facilidad las diferentes variables de operación que intervienen en el proceso de secado. Y al mismo tiempo permitiera secar diferentes materiales industriales. Para la puesta en marcha del equipo se siguieron varios procedimientos para verificar el buen funcionamiento del secador. Posteriormente se llevaron a cabo varias pruebas de secado. bajo diferentes condiciones de velocidad y. temperatura del aire, para el sistema seleccionado (banano), y se pudo determinar el efecto de éstos factores en la variable de respuesta, que fue el tiempo de secado. Encontrando que el factor que ejerce mayor influencia en el tiempo de secado, es la temperatura del aire; y que la velocidad de secado se favorece bajo condiciones de velocidad y temperatura elevadas.. 12.

(13) IQ-2005-1-05. 1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar, construir y poner en marcha un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado.. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Desarrollar la ingeniería pertinente (conceptual, básica y detallada) para el diseño de un secador de bandejas en el cual se puedan obtener curvas de secado bajo diferentes condiciones de operación.. •. Poner en marcha el secador de bandejas.. •. Obtener curvas de secado para el sistema seleccionado (banano) a diferentes condiciones de operación.. •. Elaborar manuales de manejo y mantenimiento del equipo.. •. Elaborar un manual de prácticas de laboratorio para la obtención de curvas de secado a diferentes condiciones.. 13.

(14) IQ-2005-1-05. 2. JUSTIFICACIÓN. El departamento se ha interesado en. mejorar. el laboratorio de ingeniería. química, dotándolo de equipos que permitan complementar las clases teóricas por medio de experimentos que logren un mayor acercamiento entre la teoría y la parte práctica. El secado es una operación unitaria. ampliamente usada en la industria. química, especialmente en la de alimentos y generalmente constituye la etapa precedente a la salida del producto final de varios procesos. Lo que hace importante conocer los aspectos teóricos de este proceso para poder complementarlos con la práctica. Dentro de la planeación estratégica del departamento se ha identificado la necesidad de disponer de un secador que sirva como apoyo docente para las clases de Transferencia de masa II, específicamente para el módulo de secado. Actualmente el laboratorio no dispone de un equipo para el desarrollo de pruebas de secado que permitan visualizar de manera real los fenómenos de transferencia de masa y calor que ocurren durante un proceso de secado. Uno de los secadores más sencillos y usado ampliamente en operaciones de laboratorio es el de bandejas. Las condiciones de secado se controlan en forma simple y se cambian con facilidad, de manera que este secador es particularmente adecuado para los fines del laboratorio de ingeniería química. Por lo anterior,. es importante construir y poner en marcha un secador de. bandejas directo en el cual se puedan controlar la humedad, temperatura, velocidad y dirección del flujo de aire; y registrar en tiempo real la pérdida de peso del sólido que se está secando, lo que se traduce en pérdida de humedad.. 14.

(15) IQ-2005-1-05. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1 El secado. La característica esencial del proceso de secado es la eliminación de. un. líquido por conversión en vapor, que se separa del sólido1. Involucra procesos de transferencia de masa y calor. El estudio del secado y el cálculo del tamaño requerido de un secador, deben tomar en cuenta una multitud de problemas en las áreas de mecánica de fluidos, química de superficies y estructura sólida…En muchos casos, estos fenómenos. fisicoquímicos. son. tan. complicados. y,. en. consecuencia,. comprendidos en forma incompleta, que el diseño cuantitativo del secador resulta imposible2. 3.2 Clasificación de las Operaciones de Secado. Las operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente y teniendo en cuenta diferentes aspectos. Las formas de clasificación más comunes son: según el método de operación, según el método de obtención de calor necesario para la evaporación de la humedad o según la naturaleza de la sustancia que se va a secar. 3.2.1 Método de Operación Teniendo en cuenta el método de operación, las operaciones de secado se pueden clasificar bien sea en lotes o continua. En la operación por lotes el material se carga al secador y permanece allí hasta que se seca, luego se descarga el material seco y el equipo se vuelve a cargar con un nuevo lote. En los secadores continuos el material que se va a secar y 1 2. Referencia 9, pp. 1. Referencia 6, pp. 459.. 15.

(16) IQ-2005-1-05. la corriente de gas (en la que se evapora la humedad) pasan continuamente a través del equipo. 3.2.2 Método de obtención de calor necesario para la evaporación de humedad De acuerdo con el método de obtención de calor, las operaciones de secado se pueden clasificar en directas o indirectas. En los secadores directos, el calor se obtiene completamente por contacto directo de la sustancia con el gas caliente en el cual tiene lugar la evaporación. En los secadores indirectos, el calor se obtiene independientemente del gas que se utiliza para acarrear la humedad evaporada3. Entonces, en los secadores directos el secado ocurre por convección debido a que el gas caliente que se sopla sobre la superficie del sólido húmedo genera dos efectos, proporciona calor y elimina el vapor formado. Mientras que en los secadores indirectos, el calor puede obtenerse por conducción a través de una pared metálica en contacto con el material o por la exposición del material a una radiación infrarroja o calentamiento dieléctrico. 3.2.3 Naturaleza del material que se va a secar Los materiales a secar se pueden dividir principalmente en dos clases: los sólidos granulares o cristalinos y los sólidos fibrosos. En los sólidos granulares o cristalinos el movimiento de humedad ocurre como resultado de la interacción de las fuerzas gravitacionales y de tensión superficial o capilares. Estos materiales contienen humedad en los intersticios entre partículas o en los poros de poca profundidad de superficies abiertas. Algunos de estos materiales son: los catalizadores, el sulfato de zinc y el bióxido e titanio.. 3. Referencia 15, pp. 730.. 16.

(17) IQ-2005-1-05. La segunda clase corresponde a los sólidos fibrosos o en forma de gel. Estos materiales contienen humedad como parte integral de la estructura sólida o atrapada en fibras, o en el interior de poros finos. Generalmente estos materiales son orgánicos; por ejemplo, el huevo, los cereales, el café, las gomas y el almidón. 3.3 Factores que influyen en el proceso de secado 3.3.1 Temperatura del aire La temperatura del aire juega un papel importante durante el proceso de secado. Por lo general mientras que esta se incrementa, la velocidad de secado también es mayor, teniendo en cuenta que para cada material existe una temperatura óptima de secado. Durante el proceso de secado es importante conocer tanto la temperatura de bulbo seco, como la temperatura de bulbo húmedo del aire, ya que a partir de estas se pude determinar el contenido de humedad del aire. La temperatura de bulbo seco es la que se determina de forma ordinaria por medio de una termocupla o un termómetro de mercurio. Mientras que la temperatura de bulbo húmedo, es la temperatura de equilibrio obtenida por una superficie de agua cuando la velocidad de transferencia de calor por convección hacia la superficie es igual a la velocidad de transferencia de masa que se aleja de la superficie. 3.3.2 Humedad del aire Cuando el aire contiene una pequeña cantidad de humedad tiene una mayor capacidad de absorber agua. Por lo tanto cuando el aire se encuentra totalmente saturado es incapaz de absorber más humedad. 3.3.3 Velocidad del aire La velocidad del aire dentro del secador tiene básicamente. dos objetivos. principales. El primero es transmitir la energía necesaria para la evaporación de la humedad y el segundo es transportar la humedad saliente del material. Para. 17.

(18) IQ-2005-1-05. cada material existe una velocidad óptima del aire a la cual se obtienen buenos resultados del proceso de secado, y puede ser determinada de manera experimental. 3.3.4 Dirección del flujo de aire El flujo del aire dentro del equipo puede ser orientado en dirección tangencial o transversal al lecho de secado. El tipo de flujo comúnmente usado es el tangencial, estando el flujo transversal limitado al secado de productos cristalinos o granulares. 3.4 Comportamiento General del Secado. Cualquiera que sea el tipo de equipo de secado a utilizar, para determinar la capacidad de este o bien el tiempo de secado, es necesario efectuar ensayos de secado del material. Este tipo de ensayos se deben realizar bajo condiciones de temperatura, humedad y velocidad de aire constantes. El comportamiento general que presenta un sólido húmedo que se somete a un proceso de secado bajo condiciones constantes se describe a continuación.. Figura 1. Curvas de secado en condiciones constantes. Fuente: Autor.. 18.

(19) IQ-2005-1-05. 3.4.1 Periodo de estado inestable Una vez se pone en contacto el sólido húmedo con el medio de secado, la temperatura del sólido se ajusta hasta alcanzar un estado estable. Este estado se puede alcanzar bien sea por un aumento o reducción en la temperatura del sólido y en la velocidad de secado. Cuando se alcanza el estado estable, la temperatura en la superficie del sólido húmedo es igual a la temperatura de bulbo húmedo del medio de secado. Las temperaturas en el interior del sólido también tienden a igualarse a la de bulbo húmedo del gas, dependiendo el tiempo en que la alcanzan dicha temperatura, del movimiento de masa y calor dentro del sólido. 3.4.2 Periodo de velocidad constante Cuando las temperaturas alcanzan la temperatura de bulbo húmedo del gas, se mantienen casi constantes al igual que la velocidad de secado. Durante este periodo la superficie total expuesta está saturada de líquido, por lo tanto la evaporación ocurre sobre la superficie totalmente mojada, y el líquido se remueve continuamente por difusión rápida desde el interior. Puesto que la evaporación de humedad absorbe calor latente, la superficie líquida llega y permanece a una temperatura en el equilibrio tal que la rapidez del flujo de calor en el entorno de la superficie es exactamente igual a la rapidez de absorción de calor4. El periodo de velocidad constante termina cuando el sólido alcanza el contenido crítico de humedad.. 4. Referencia 15, pp. 738.. 19.

(20) IQ-2005-1-05. 3.4.3 Contenido crítico de humedad Cuando el contenido promedio de humedad del sólido alcanza el contenido crítico de humedad, la película superficial de humedad se reduce de tal forma que el secado posterior genera puntos secos en la superficie del sólido. Después de este punto la temperatura del sólido aumenta y la velocidad de secado decrece. 3.4.4 Periodo de velocidad decreciente Este periodo puede durar un tiempo mayor que el periodo de velocidad constate, aunque la eliminación de humedad puede ser considerablemente menor. La aparición de puntos secos durante este periodo se debe a que la velocidad de movimiento del líquido hacia la superficie es menor que la transferencia de masa desde la superficie. El proceso de secado continúa, llegando a un momento en el que no existe un área significativa de superficie saturada de líquido. La parte de superficie que está saturada se seca por transferencia conectiva desde la corriente de gas secante y transferencia de masa hacia la misma. El vapor se difunde desde los niveles interiores de la muestra hasta la parte de la superficie que no está saturada y continúa su difusión hacia la corriente gaseosa5. Debido a que el contenido de humedad sigue disminuyendo a lo largo del proceso, la trayectoria para la difusión de calor y masa crece más hasta que la velocidad de secado se tiende a cero. 3.4.5 Contenido de Humedad de Equilibrio El contenido de humedad de equilibrio corresponde al contenido de humedad más bajo que puede obtenerse bajo las condiciones de secado usadas. 5. Referencia 6, pp. 461.. 20.

(21) IQ-2005-1-05. Una vez se alcanza el contenido de humedad de equilibrio, no existe secado adicional porque el potencial de humedad es cero. La presión de vapor sobre el sólido es igual a la presión parcial de vapor del gas. 3.5 Tiempo de secado. El tiempo de secado de un sólido en las mismas condiciones bajo las que se obtuvo una curva de secado completa como la. de la figura 1, se puede. determinar fácilmente una vez se conoce la velocidad de secado. Por definición la velocidad de secado es:. N =−. S s dX Adθ. Ecuación 1. Velocidad de secado.. Donde: Ss, masa del sólido seco en Kg X, contenido de humedad de un sólido Kg de agua/ Kg de sólido seco A, área de la superficie expuesta en m2. θ, tiempo en s N, velocidad de secado en Kg/m2 s Separando variables e integrando se obtiene la siguiente expresión:. S θ= s A. X1. dX N X2. ∫. Ecuación 2. Tiempo de secado.. 21.

(22) IQ-2005-1-05. 3.5.1 Periodo de velocidad constante Cuando el secado ocurre durante el periodo de velocidad constante, es decir que X1 y X2 > Xc (contenido de humedad crítico) y N = Nc (velocidad durante el periodo de velocidad constante), la ecuación 2 se transforma en:. θ=. Ss ( X1 − X 2 ) AN c. Ecuación 3. Tiempo de secado durante el periodo de velocidad constante.. 3.5.2 Periodo de velocidad decreciente En el caso en que X1 y X2 son menores que Xc, la velocidad N disminuye con el tiempo y el tiempo de secado puede calcularse al integrar gráficamente la ecuación 2, mediante la determinación del área bajo la curva de 1/N como ordenada y X como abscisa (ver figura 2); datos que pueden ser obtenidos de una curva de velocidad de secado.. Figura 2. Área bajo la curva 1/N. Fuente: Autor.. 3.6 Coeficientes de transferencia de masa y calor. Cuando se trata de secadores de bandejas a nivel de laboratorio, se tiende a despreciar los efectos de transferencia de calor por conducción y radiación, por. 22.

(23) IQ-2005-1-05. lo que el coeficiente de transferencia de calor por convección es el que cobra mayor importancia. Para el flujo de aire en un secador de bandejas, se han obtenido ecuaciones experimentales para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección hc. Para el caso de flujo de aire paralelo a la superficie se tiene que:. hc = 5.90. G '0.71 0.29 de. Ecuación 4. Coeficiente de transferencia de calor por convección para flujo de aire paralelo a la superficie.. Donde: G’, velocidad másica de aire seco en Kg/ m2 s de, diámetro equivalente en m hc, coeficiente de transferencia de calor por convección en W/m2 K Para flujo perpendicular a la superficie y G = 1.08 a 5.04 Kg/m2 s (0.9 a 4.5 m/s) hc es:. hc = 24.2G '0.37 Ecuación 5. Coeficiente de transferencia de calor por convección para flujo de aire perpendicular a la superficie.. Para el sistema aire-vapor de agua existe la relación de Lewis, que relaciona coeficiente de transferencia de calor por convección hc y el coeficiente de transferencia de masa ky por medio del calor húmedo Cs, de la siguiente manera: hc =1 k yCs Ecuación 6. Relación de Lewis.. 23.

(24) IQ-2005-1-05. 4. ANTECEDENTES. Para el diseño de este tipo de equipos es importante realizar una revisión bibliográfica del tema junto con una revisión de los equipos ya existentes para determinar las condiciones de operación, las variables a medir, los materiales de construcción y las dimensiones básicas. Secador 1 U. Puebla. Parámetro. U. Nacional. Variables que se miden y/ o controlan. Peso, temperatura bulbo seco, temperatura bulbo húmedo, flujo de aire.. Peso, temperatura bulbo seco, temperatura bulbo húmedo, flujo de aire.. Sistema de humidificación Potencia del Ventilador (HP). Aspersión. No. Evaporación. No. 1/4. ***. 1/2. ***. Velocidad del aire (m/s). 0.6. 1.3. ***. 0,3-1,8. Potencia de las resistencias de calentamiento (W). 3600. 2600. ***. 3000. 1.7. ***. ***. 1.4. 0.9. 0.2. ***. 0.73. 1.7. 1.5. ***. 2.95. 2. 1. ***. 4. 2.4. ***. **. 1. Arena, alimentos. Alimentos. Alimentos. Alimentos. Dimensiones. Alto (m) Ancho (m) Largo (m). No de bandejas y capacidad (Kg) Materiales que seca. Secador 2 U. Puebla. Secador Armfield. Peso, temperatura, humedad, Humedad, temperatura temperatura, peso, superficial del material velocidad. que se está secando, velocidad.. Tabla 1. Equipos de secado estudiados. Fuente: Autor.. Con el objetivo de tener un mejor criterio para el dimensionamiento del equipo y minimizar los errores en su montaje y puesta en marcha, se revisaron los siguientes equipos de secado, entre otros:. •. Secador de la Universidad Nacional: el laboratorio de ingeniería química dispone de un secador de bandejas directo diseñado por un estudiante de ingeniería química en su proyecto de grado.. •. Secadores Universidad de Puebla: el laboratorio de ingeniería de alimentos dispone de dos secadores diseñados por estudiantes.. 24.

(25) IQ-2005-1-05. •. Secador para laboratorio Armfield.. Sumado a esto, se asistió a una práctica de secado de banano, realizada en el secador de la Universidad Nacional. Esto permitió determinar las condiciones de operación, las variables a medir, los materiales de construcción y dimensiones básicas; a partir de las cuales se inició el diseño del equipo.. 25. las.

(26) IQ-2005-1-05. 5. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO. 5.1 Descripción general del equipo. El equipo consta de un túnel en el que está ubicado en uno de sus extremos un ventilador centrífugo y posteriormente unas resistencias eléctricas que calientan el aire que fluye hacia la zona de acondicionamiento. La zona de acondicionamiento consiste en un sistema humidificación en el cual el vapor es suministrado por la evaporación de agua que es calentada con una resistencia eléctrica. Con el paso del aire a través de las resistencias de calentamiento y después por la cámara de adecuación es posible. simular condiciones de. humedad y temperatura diferentes a las de Bogotá. El porcentaje de humedad deseado en el aire es modificado con la potencia suministrada a las resistencias de calentamiento del agua. Una vez el aire pase o no por la zona de acondicionamiento es conducido a través de un ducto a la cámara de secado. Esta cámara permite trabajar con flujo tangencial o a través del lecho del material húmedo, y consta de dos juegos de bandejas, uno para cada tipo de flujo; además de una puerta de vidrio para cargar y descargar los materiales a secar. El objetivo principal de las pruebas de secado es realizar un seguimiento de la pérdida de peso del material en el tiempo, por tal razón las bandejas están soportadas sobre una balanza digital. Antes y después de la cámara de secado están ubicados higrómetros portátiles para medir la humedad relativa del aire y la temperatura. También se dispone de un sensor de temperatura para la superficie del material. Los dispositivos de medición que tiene la cámara de secado. tienen como. objetivo poder determinar perfiles de temperatura, contenido de humedad y velocidad de secado, y así evidenciar la existencia de periodos de velocidad de secado inestable, constante. y descendente.. 26. De igual manera poder.

(27) IQ-2005-1-05. determinar el contenido de humedad crítico y de equilibrio bajo condiciones de operación constantes. Después del paso del aire por la cámara de secado es posible medir la velocidad del aire por medio de un anemómetro portátil. El funcionamiento del equipo se maneja desde un tablero de control en el que se encuentran los controles de temperatura de la cámara de secado y la del tanque que contiene el agua usada para la humidificación del aire. También está el indicador de temperatura de la superficie del material que se está secando, el encendido y apagado del ventilador y el temporizador. 5.2 Dimensionamiento y descripción detallada del equipo. A continuación se muestra un esquema general del equipo:. Figura 3. Vista Frontal del Secador. Fuente FIQ.. 27.

(28) IQ-2005-1-05. Figura 4. Vista superior del Secador. Fuente FIQ.. Las partes fundamentales que constituyen el equipo de secado son: un ventilador, las resistencias de calentamiento del aire, la zona de humidificación del aire, los ductos de aire, la cámara de secado y el sistema de control y medición (las fotografías de cada una de las partes del equipo están en el ANEXO C). El cuerpo del equipo está construido en acero inoxidable 304 y está completamente aislado con fibra de vidrio de un espesor efectivo de 20 mm, con el fin de evitar pérdidas de calor o quemaduras por su manipulación. El soporte es de lámina de acero inoxidable y cuenta con cuatro ruedas y frenos. 5.2.1 Ventilador. La función del ventilador es suministrar la energía necesaria para superar la pérdida de carga neta experimentada por le aire a lo largo del secador. Para estimar las pérdidas de presión a lo largo del ventilador se tuvo en cuenta el caso más exigente, es decir cuando el aire se humidifica y se dirige en flujo transversal al lecho de partículas, asumiendo que la velocidad y densidad del aire se mantienen constantes a lo largo del equipo. La estimación de pérdidas incluye:. 28.

(29) IQ-2005-1-05. •. Pérdidas debidas al paso a través de las resistencias de calentamiento. v2 hs = k s 2g Ecuación 7. Pérdidas de presión debidas a obstáculos.. Donde: hs, pérdida en m ks, coeficiente de pérdidas por paso a través de obstáculos v, velocidad en m/s g, 9.8 m/s2 La caída de presión debida al paso a través de las resistencias se estimó usando la ecuación 7, en la que se asumió un coeficiente de pérdidas de 0.55, de acuerdo al usado en el dimensionamiento del secador de la Universidad Nacional. La velocidad usada para el cálculo de todas las pérdidas a lo largo del sistema fue 2.3 m/s6. Las pérdidas calculadas fueron 0.15 m.. •. Pérdidas por tubería recta: Formula Darcy -Weisbach. hL =. f Darcy Lv 2 2 Dg. Ecuación 8. Pérdidas por tubería recta.. Donde: hL, pérdida en m fDarcy, factor de fricción de Darcy obtenido del diagrama de Moody L, longitud en m v, velocidad en m/s D, diámetro de la tubería m. 6. De acuerdo con la revisión bibliográfica realizada, el rango de velocidad del aire usada en equipos de secado de laboratorio está entre 0.3-2.3 m/s.. 29.

(30) IQ-2005-1-05. Para el cálculo de las pérdidas por tubería recta se uso la ecuación de Darcy - Weisbach y fue necesario usar el diámetro hidráulico debido a que el ducto es de forma rectangular. Las pérdidas calculadas fueron 0.01 m.. •. Pérdidas debidas al paso por la zona de humidificación. Se asumieron unas pérdidas de 64.51 m correspondientes a 2 in H2O, pérdidas estimadas para el paso por la zona de aspersión del secador de la Universidad Nacional, ya que no se contaba con ningún otro dato disponible.. •. Pérdidas por contracción brusca. Las pérdidas debidas al paso del aire por la reducción que permite que el cambio de flujo tangencial a transversal, se estimaron usando la ecuación 7, con un coeficiente de pérdidas igual a 1.Las pérdidas calculadas fueron 0.27 m.. •. Pérdidas por giro de 90°. Para el cálculo de las pérdidas generadas por el giro de 90° en el paso del aire hacia la cámara. de secado, se usó la ecuación 7, con un coeficiente de. pérdidas igual a 1.25 (correspondiente a un giro de 90° en sección cuadrada). Las pérdidas calculadas fueron 0.34 m.. •. Pérdidas por el paso a través del lecho de partículas. Se asumieron unas pérdidas de 64.51 m correspondientes a 2 in H2O, pérdidas estimadas para el paso a través del lecho de secado en el secador de la Universidad Nacional.. 30.

(31) IQ-2005-1-05. •. Pérdidas por expansión brusca. Las pérdidas debidas a la salida del aire a la atmósfera, se estimaron usando la ecuación 7, con un coeficiente de pérdidas igual a 1.Las pérdidas calculadas fueron 0.27 m. Las pérdidas totales a lo largo del secador fueron 130.055 m. Una vez estimadas las pérdidas, se procedió a calcular hp por medio de la ecuación 9. El resultado obtenido fue 130.32 m. 5.2.1.1 Calculo de la potencia del ventilador: Para el cálculo de la potencia del ventilador se realizó un balance de energía mecánica usando la ecuación de Bernoulli como se muestra a continuación:. Figura 5. Esquema simplificado del secador. Fuente: Autor.. (v 2αg 1. 2 2. ). − v12 +. g (z 2 − z1 ) + P2 − P1 + Σf − hp = 0 γ g. Ecuación 9. Ecuación de Bernoulli.. Donde:. α , es 1 para flujo turbulento v1, velocidad a entrada del ventilador en m/s v2 , velocidad a la salida en m/s g , 9.8 m/s2. 31.

(32) IQ-2005-1-05. z1, z2, altura en m P1, presión a la entrada del ventilador en Pa P2, presión a la salida del equipo en Pa. γ, peso específico del aire en N/m3 Σf, sumatoria de pérdidas a lo largo del sistema en m hp, m Al realizar el balance entre los puntos 1 y 2 se eliminan varios términos y la ecuación se reduce a: 1 2 v2 + Σf − hp = 0 2αg Ecuación 10. Balance de energía a lo largo del sistema.. Finalmente, mediante las siguientes ecuaciones se calculó la potencia del ventilador. Se usó una eficiencia de 0.67 que es la que generalmente se usa para este tipo de ventiladores y un flujo másico igual a 0.11 Kg/s8.. W = hp * g Ecuación 11. W.. Wp =. W n. Ecuación 12. Wp.. P = Wp * G Ecuación 13. Potencia del ventilador.. Donde: W, J/Kg Wp, J/Kg. 7. Referencia 13, pp. 157. El flujo másico fue calculado según se describe en la sección de 5.2.1.2 Resistencias de calentamiento del aire.. 8. 32.

(33) IQ-2005-1-05. n, eficiencia del ventilador G, flujo másico en Kg/s P, potencia del ventilador en W La potencia obtenida fue 234.15 W lo que se traduce en 0.31 Hp. 5.2.1.2 Selección del Ventilador El ventilador que se usó para el secador fue uno centrífugo de ¾ HP, que genera una velocidad máxima de 3.430 rpm y que se encuentra construido en acero inoxidable 304. Éste ventilador se selecciono con el fin de garantizar que se satisfacen los requerimientos de potencia calculados anteriormente. Se seleccionó un ventilador centrífugo debido a que este tipo de ventiladores son capaces de sobrepasar mayor caída de presión que los axiales; y dado el caso en el que se desee realizar alguna modificación al equipo, éste permite una mayor flexibilidad.. 5.2.2 Resistencias de calentamiento del aire Un buen proceso de secado depende de la temperatura del aire, por lo que es importante contar con un sistema que permita su calentamiento. Para calcular la potencia de las resistencias de calentamiento, se tienen en cuenta las condiciones de operación extremas del equipo. La temperatura del aire antes de su paso por las resistencias es 18°C con una humedad relativa de 60% y una humedad absoluta de 0.011g de agua/ g de. 33.

(34) IQ-2005-1-05. aire seco9; después de su paso por las resistencias la temperatura del aire es 50°C10. Inicialmente se calcula el calor sensible necesario para elevar la temperatura del aire de 18°C a 50°C. Debido a que el aire no se encuentra completamente seco, se debe tener en cuenta tanto el calor requerido por el aire como el requerido por el vapor que lo acompaña. Usando la ecuación 16 se obtiene el calor húmedo, que es la capacidad calorífica de la mezcla vapor-gas por unidad de masa del contenido de gas seco. Cp B C D ⎛ τ −1 ⎞ dT = ATo(τ − 1) + To 2 (τ 2 − 1) + To 3 (τ 3 − 1) + ⎜ ⎟ 2 3 R To ⎝ τ ⎠ To T. ∫. Ecuación 14. Capacidad calorífica.. τ≡. T To. Ecuación 15. τ.. Cs = CB + Y 'C A Ecuación 16. Calor Húmedo.. T ⎛T CB ⎞ C ⎜ Q = R⎜ ∫ dT + Y ' ∫ A dT ⎟⎟ R To ⎝ To R ⎠. Ecuación 17. Calor.. Donde: A, 3.355 para el aire y 3.470 para el agua. 9. Las condiciones de entrada del aire son las condiciones normales de Bogotá. El valor de humedad absoluta que se usó para los cálculos fue 0.010526, pero es mostrado a lo largo del documento como 0.011.. 10. La elección de esta temperatura se debe a que los sistemas de medición de temperatura usados, miden máximo hasta una temperatura de 50°C.. 34.

(35) IQ-2005-1-05. B, 0.575E-3 para el aire y 1.450E-3 para el agua D, -0.016E5 para el aire y 0.121E5 para el agua To, temperatura inicial en K T, temperatura final en K R= 8.314 J/Kg K Cp, capacidad calorífica en J/Kg K CA, capacidad calorífica del agua J/Kg K CB, capacidad calorífica del aire J/Kg K Y’, humedad absoluta en g agua /g de aire seco Cs, calor húmedo J/Kg K Q, calor sensible J/Kg Entonces, el calor sensible requerido para elevar la temperatura de la mezcla vapor-gas se calcula a partir de la ecuación 17, obteniendo un calor de 32831.37 J/Kg. Para conocer la potencia de las resistencias, es necesario conocer el flujo másico de aire a calentar, el cual se obtiene con las ecuaciones 18 y 19. ⎛ 1 Y ' ⎞ t G + 273 ⎟⎟ v H = 8315⎜⎜ + M M pt A ⎠ ⎝ B Ecuación 18. Volumen Húmedo.. Donde: MB, peso molecular del aire MA, peso molecular del agua tG, temperatura del aire en °C Pt, presión total en Pa vH, volumen húmedo en m3 de mezcla /Kg aire El volumen húmedo corresponde al volumen de la mezcla vapor-gas a la presión y temperatura dominantes, en este caso las condiciones son las de Bogotá, entonces tG es 18°C y Pt es 74660.5 Pa (560mm Hg).. 35.

(36) IQ-2005-1-05. G=. C vH. Ecuación 19. Flujo másico.. Donde: G, flujo másico de aire seco a calentar Kg/s C, flujo volumétrico de aire m3/s El flujo másico de aire es igual a 0.11 Kg/s. Ahora la potencia de las resistencias en vatios se calcula con la ecuación 20, que considera un 15% adicional de potencia por pérdidas.. P = Q *G *1.15 Ecuación 20. Potencia de las resistencias.. La potencia necesaria para calentar el aire es de 4121.97 W. Para esto se dispuso de seis resistencias cada una de 700 W a 220 V. Para garantizar un buen calentamiento del aire, las resistencias seleccionadas son aletadas (aumentando el área de transferencia de calor) y se ubicaron cuatro deflectores en la zona en donde están las resistencias; para de ésta forma aumentar la turbulencia del flujo de aire y por lo tanto mejorar la transferencia de calor (ver figuras 6, 7 y 8).. Figura 6. Zona de Calentamiento del aire. Vista superior. Fuente: FIQ.. 36.

(37) IQ-2005-1-05. Figura 7. Zona de Calentamiento del aire. Vista frontal. Fuente: FIQ.. Figura 8. Zona de Calentamiento del aire. Vista frontal. Fuente: FIQ.. 5.2.3 Cámara de humidificación Con el fin de poder variar la humedad absoluta del aire y de ésta forma simular condiciones de secado diferentes a las de Bogotá, se seleccionó un sistema de humidificación con vapor. Este consiste en un tanque con una resistencia eléctrica, que proporciona la energía necesaria para la evaporación del agua. El tanque está ubicado en la parte de abajo del ducto, de tal manera que el aire. 37.

(38) IQ-2005-1-05. fluye sobre la superficie de agua en la que esta ocurriendo la evaporación y se humidifica.. Figura 9. Humidificación con vapor. Fuente: http://www.denco.co.uk/DencoCH2.pdf. Como el elemento calefactor es el que proporciona el calor latente necesario para evaporar el agua, se puede considerara que la operación de humedad ocurre de forma isotérmica. Entonces a medida que la humedad relativa aumenta, la temperatura del aire se mantiene casi constante. Debido a que el vapor está más caliente que el aire puede ocurrir un pequeño incremento de temperatura, por lo general menor a 0.5 C (ver figura 9). La humedad del aire puede ser ajustada variando el vatiaje de las resistencias de calentamiento del agua y el nivel del tanque se mantiene por medio de una válvula que debe estar goteando. Con el fin de conocer la potencia de las resistencias de calentamiento del agua, se asumieron las siguientes condiciones de operación:. •. Condiciones de entrada a la zona de humidificación:. Caudal = 0.054 m3/s Humedad absoluta = 0.011 Kg de agua/ Kg de aire seco Humedad relativa = 41%. 38.

(39) IQ-2005-1-05. Temperatura =24 °C El caudal de. aire usado para calcular la potencia de las resistencias de. calentamiento del agua no es el mismo que se usó en el dimensionamiento de las otras partes del equipo. En éste caso se trabajó con un caudal de 0.054 m3/s que corresponde al producto entre el área de la sección por la que pasa ell aire y su velocidad, es decir a 0.054 m2 x 1 m/s. La razón por la cual no se trabajó con una velocidad de 2.3 m/s, como en los demás casos, es porque esto implicaba mayores requerimientos energéticos para obtener el grado de humidificación deseado; por lo que se prefirió optar por trabajar con flujos menores cuando se vaya a humidificar el aire. En todo caso si se requiere trabajar con velocidades más elevadas podría instalarse fácilmente otra resistencia eléctrica, que permita la humidificación de mayor cantidad de aire.. •. Condiciones de salida de la zona de humidificación11:. Caudal = 0.054 m3/s Humedad absoluta = 0.023 Kg de agua/ Kg de aire sec Humedad relativa = 88% Temperatura =24.5 °C Ahora, primero es necesario calcular la cantidad de agua a evaporar para alcanzar la condición de humedad deseada. L = G * (Y2 − Y1 ) Ecuación21. Agua a evaporar.. Donde: G, flujo másico de aire seco en Kg/s 11. Las condiciones de salida del aire corresponden a las de Puerto Carreño.. 39.

(40) IQ-2005-1-05. Y1, Y2, humedad absoluta a la entrada y. a la salida de la zona de. humidificación en Kg de agua/ Kg de aire seco L, cantidad de agua a evaporar en Kg/s El flujo másico de aire fue calculado usando las ecuaciones 18 y 19. con tG. igual a 24°C y C igual a 0.054 m3/s. La cantidad de agua a evaporar obtenida fue de 0.0006 Kg/s o 2.04 Kg/h. Una vez se conoce la cantidad de agua a evaporar, se puede determinar el calor latente necesario para dicha evaporación. Para conocer ésta cantidad se usó el método propuesto por Watson, en el que se estima el calor latente de vaporización de un líquido puro a cualquier temperatura a partir de un valor conocido a otra temperatura:. ∆H 2 ⎛ 1 − Tr 2 =⎜ ∆H 1 ⎜⎝ 1 − Tr1. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 0.38. Ecuación 22. Calor latente de vaporización.. Donde: Tr1, Tr2, temperatura reducida. ∆H1, ∆H2, calor latente en J/g Para el agua a 100°C el calor latente es 2257J/g, con una temperatura reducida de 0.577; entonces para el agua a 92°C con temperatura reducida de 0.564, el calor latente de vaporización es 2281.8 J/g. Entonces, la potencia de las resistencias de calentamiento se puede obtener con la siguiente ecuación, que considera un 15% adicional de potencia por pérdidas:. P = ∆H * L *1.15 Ecuación 23. Potencia de las resistencias de calentamiento del agua.. 40.

(41) IQ-2005-1-05. La potencia calculada para las resistencias eléctricas que calientan el agua fue 1486.3 W, por lo que se seleccionó una resistencia sumergible de 1500 W.. Figura 10. Tanque de Agua. Vista Superior y Frontal. Fuente: FIQ.. Figura 11. Cámara de Humidificación. Vista Superior. Fuente: FIQ.. 41.

(42) IQ-2005-1-05. Figura 12. Cámara de Humidificación. Vista Frontal. Fuente: FIQ.. Figura 13. Cámara de Humidificación. Vista Lateral. Fuente: FIQ.. 5.2.4 Cámara de secado Debido a que el equipo de secado tiene fines educativos, las cantidades de material a secar son pequeñas y por lo tanto es suficiente disponer únicamente de dos bandejas de 0.3 x 0.25 m. Estas bandejas están ubicadas sobre un soporte y por medio del uso de un sistema de deflectores, situados a la entrada de la cámara de secado, es posible orientar el aire de forma tangencial o a través del lecho de secado (ver ANEXO C). El soporte de las bandejas se encuentra sobre una balanza digital, lo que permite conocer la pérdida de peso sin necesidad de sacar el material.. 42.

(43) IQ-2005-1-05. Se cuenta con dos tipos de bandejas dependiendo del flujo a trabajar. Unas en lámina de acero inoxidable 304 y otras en malla. La puerta para la alimentación del material a secar está construida en vidrio, de tal manera que se pueda llevar un seguimiento visual del proceso de secado. Debido a que la cámara y las bandejas están construidas en acero inoxidable, es posible eliminar la humedad de cualquier tipo de material industrial sin que el equipo, ni el material húmedo se vean afectados.. Figura 14. Cámara de Secado. Vista Frontal y Lateral. Fuente: FIQ.. 5.2.5 Sistema de control y medición Uno de los principales propósitos que se tuvieron en cuenta para el diseño del equipo fue que ofreciera una gran versatilidad en su operación. Por tal razón se implementaron diferentes herramientas para medir y controlar las variables involucradas en el proceso de secado, como son: temperatura, humedad, velocidad y dirección del flujo de aire. Además de la pérdida de peso que va a permitir la construcción de las curvas de secado, y la temperatura superficial del material, con la cual se pueden obtener perfiles de temperatura a lo largo del proceso. En la siguiente figura se muestra el sistema de control del equipo.. 43.

(44) IQ-2005-1-05. Figura 15. Sistema de control del equipo. Fuente: Autor y FIQ.. 5.2.5.1 Temperatura de la cámara de secado La temperatura del aire que proporciona la energía para evaporar la humedad del material, es una variable determinante en el proceso de secado por tal razón es muy importante realizar un adecuado control de la misma y de esta forma garantizar una temperatura constante durante todo el proceso. Existen diferentes tipos de sensores para medir temperatura, por ejemplo: termocuplas, termómetros dimetálicos y RTD’s. El sensor seleccionado para medir la temperatura del aire fue un RTD (Resistance Temperature Detector) industrial, debido a que proporciona una sensibilidad superior al de una termocupla. Éste tipo de sensores cambian su resistencia eléctrica cuando son sometidos a cambios de temperatura y transmiten ohmios. El objetivo de éste sistema de control es alcanzar la temperatura que se desee en la corriente de aire, y controlarla variando la potencia que se suministra a las. 44.

(45) IQ-2005-1-05. resistencias eléctricas. El controlador seleccionado con éste propósito fue un controlador digital Shimaden. 5.2.5.2 Temperatura del tanque que contiene el agua usada para la humidificación La temperatura del agua usada para acondicionar el aire es muy importante porque de ésta depende el grado de humidificación que se va a alcanzar, por tal razón se ubicó en el tanque un sensor tipo RTD industrial y por medio de la variación en la potencia suministrada a las resistencias eléctricas se obtiene la temperatura deseada. El controlador seleccionado es igual al usado para el control de la temperatura del aire. 5.2.5.3 Humedad, temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo del aire El equipo cuenta con dos psicrómetros digitales, uno ubicado antes de la cámara de secado y otro después. Estos permiten conocer la temperatura de bulbo seco, la temperatura de bulbo húmedo y la humedad relativa. Con lo que es posible determinar la humedad absoluta haciendo uso de la carta psicrométrica. Se ubicó un psicrómetro antes y otro después de la cámara de secado con el objetivo de poder evidenciar el cambio en la humedad absoluta del aire antes y después de su paso por la cámara de secado, debido a la humedad que se le transfiere desde el sólido húmedo. 5.2.5.4 Flujo de aire Para conocer la velocidad del aire se dispone de un anemómetro portátil. La lectura de velocidad se realiza a la salida de la cámara de secado en tres puntos diferentes para así determinar la velocidad promedio del aire. Para aumentar las posibilidades de estudio, se usó un sistema que permitiera controlar el flujo de aire, por medio de dos dampers. Uno ubicado a la salida del. 45.

(46) IQ-2005-1-05. ventilador y otro antes de la zona donde están ubicadas las resistencias de calentamiento (ver figura 6 y ANEXO C). Estos se manejan de forma manual y tienen un funcionamiento similar al de una válvula de mariposa. 5.2.5.5 Temperatura superficial del material La temperatura superficial del sólido húmedo cambia a lo largo del proceso de secado y de esta forma permite conocer el periodo de secado en el cual se encuentra el material, además de comprobar si es despreciable o no la transferencia de calor por convección hacia el material húmedo. Para realizar un seguimiento de esta temperatura se usó un sensor de temperatura tipo RTD de propósitos generales y un indicador digital Shimaden serie SD16. Este sensor fue seleccionado porque proporcionaba el tamaño adecuado para ser ubicado dentro de la cámara de secado, además de que tiene una punta fina que permite tener un buen contacto con el material a secar. 5.2.5.6 Peso del sólido Para conocer la pérdida de peso del sólido húmedo a medida que transcurre el proceso de secado se uso una balanza digital con una sensibilidad de 2 g y un rango de peso entre 40 g y 12 Kg.. 46.

(47) IQ-2005-1-05. 6. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO. La construcción del equipo fue encargada a Industrias Químicas FIQ. Ltda. , en la que se contó con la asesoría del Ingeniero Omar Rodríguez. Durante el periodo de construcción y montaje fueron realizadas varias visitas a la empresa con el fin de conocer los avances y posibles cambios en el equipo. El tiempo de construcción del equipo fue alrededor de mes y medio.. 47.

(48) IQ-2005-1-05. 7. PUESTA EN MARCHA. En este capítulo se presentan las diferentes etapas que se realizaron con el objetivo de poner el equipo a punto y garantizar su buen funcionamiento. Estas etapas fueron: el auto-tunning de los controladores, observar el tiempo de respuesta de los controladores, revisar el comportamiento de la balanza con la variación del flujo de aire, calibrar los instrumentos de medición y finalmente realizar varias pruebas de secado para el sistema seleccionado (banano). 7.1 Auto-tunning de los controladores. Antes de realizar alguna prueba de secado en el equipo es necesario realizar la sintonización de los lazos de control y para esto se usó la función auto-tuning. Para el uso de ésta función se fijan unas condiciones de operación y se espera hasta que se estabilicen. El tiempo de estabilización para el equipo fue alrededor de dos horas. El auto-tuning únicamente se hace la primera vez que se pone en funcionamiento el equipo y garantiza que en las siguientes ocasiones el tiempo de estabilización de los controladores sea mucho más corto. 7.2 Tiempo de respuesta de los controladores. Para conocer el tiempo de respuesta para el calentamiento del aire, se prende el equipo y se toma el tiempo que se demora en alcanzar y mantener diferentes temperaturas.. Temperatura del aire (°C) 25 30 35 40 45 50. Tiempo (min) 3 5 7 9 11 13. Tabla 2. Tiempo de respuesta para el calentamiento del aire. Fuente: Autor.. 48.

(49) IQ-2005-1-05. 7.3 Comportamiento de la balanza con la variación del flujo de aire. Para conocer el comportamiento de la balanza bajo diferentes condiciones de flujo, se hizo circular aire a diferentes velocidades y en dirección transversal y tangencial al lecho de secado; y se observó que no presentaba oscilaciones mayores a la sensibilidad de la balanza (2 gr) y que estas oscilaciones no eran permanentes. 7.4 Calibración de los instrumentos de medición. Para garantizar la veracidad de los datos obtenidos se calibraron los diferentes instrumentos de medición usando instrumentos calibrados. Se obtuvieron los siguientes resultados después de la calibración:. •. Psicrómetro 1: hay que sumar 1°C a la lectura de temperatura y la humedad relativa es correcta.. •. Psicrómetro 2: la temperatura es correcta y la humedad relativa también.. •. Anemómetro: la temperatura es correcta y a la humedad relativa hay que restarle 3%. Para la velocidad no se contó con algún dispositivo para su calibración.. 7.5 Pruebas de secado 7.5.1 Pruebas de secado preliminares (sin pretratamiento del banano) Se realizaron dos pruebas de secado al sistema seleccionado (banano) para conocer el funcionamiento del equipo. Éstas se hicieron manteniendo constante las siguientes condiciones: flujo de aire tangencial al lecho de secado, velocidad de 1.77 m/s y humedad de 0.011 g de agua/g de aire seco; variando la temperatura del aire. Para una, la temperatura fue 45 °C y para la otra 50 °C. El procedimiento que se siguió para realizar las prueba se encuentra en el ANEXO A.. 49.

(50) IQ-2005-1-05. Los resultados obtenidos se pueden ver en las siguientes gráficas y los datos se encuentran registrados en el ANEXO B.. Contenido de humedad en función del tiempo 45 °C. 50°C. Polinómica (50°C). Polinómica (45 °C). Humedad (g de agua/ g de sólido seco). 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. Tiempo (min). Gráfica 1. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor.. Velocidad de secado en función del contenido de humedad 45 °C. 50°C. Polinómica (50°C). Polinómica (45 °C). N (g de agua/ m^2*s). 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. Humedad (g de agua/g de sólido seco). Gráfica 2. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor.. 50.

(51) IQ-2005-1-05. Temperatura del sólido en función del tiempo 45°C. 50°C. Polinómica (45°C). Polinómica (50°C). 60. Temperatura (°C). 50 40 30 20 10 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. Tiempo (min). Gráfica 3. Comparación de la temperatura superficial del sólido en función del tiempo entre una temperatura del aire de secado de 45 °C y 50 °C. Fuente: Autor.. Debido a que en las pruebas de secado preliminares se observó la presencia únicamente del periodo de velocidad decreciente, se pudo determinar la necesidad de realizar un tratamiento previo al banano, con el fin de poder construir curvas de secado completas. El secado del banano se desarrolla básicamente en el periodo de velocidad decreciente, como ocurre casi en todas las frutas; debido que la superficie del banano no está lo suficientemente saturada de agua como para dar lugar a un periodo de velocidad constante. Entonces, el movimiento de agua hacia la superficie ocurre debido a la difusión molecular. 7.5.2 Pruebas de secado con pretratamiento del banano Con el objetivo de desarrollar una experimentación válida que permitiera conocer la reproducibilidad del equipo, además de determinar la incidencia de algunas variables de operación en el tiempo de secado del banano, fue necesario plantear una serie de pruebas experimentales repetibles. El tipo diseño de experimento usado con éste fin continuación.. 51. fue el factorial y se describe a.

(52) IQ-2005-1-05. 7.5.2.1 Enunciado del problema Conocer la incidencia de algunas variables de operación en el tiempo de secado necesario para reducir el contenido de humedad del banano de 79% a 59%. Además de determinar la reproducibilidad de los datos obtenidos en el equipo. 7.5.2.2 Elección de los factores y niveles Los factores son variables independientes que hacen variar el sistema. En las operaciones de secado los principales factores a tener en cuenta son: la temperatura, humedad, velocidad y dirección del flujo de aire. Para este caso en particular, los factores escogidos fueron la velocidad y la temperatura del aire; controlando los factores restantes manteniéndolos constantes. Los factores que se mantuvieron constantes y sus respectivos valores se muestran en la siguiente tabla:. Factor. Valor. Humedad absoluta del aire. 0.011. (g de agua/ g de aire seco) Dirección del flujo de aire. Tangencial al lecho de secado. Tabla 3. Factores de diseño que se mantuvieron constantes durante la experimentación. Fuente: Autor.. Los niveles para los rangos elegidos se muestran en la tabla 4.. Factor Temperatura (°C) Velocidad (m/s). Nivel 25 45 1 2. Medición Sensor RTD Anemómetro. Tabla 4. Factores y niveles seleccionados. Fuente: Autor.. 52.

(53) IQ-2005-1-05. 7.5.2.3 Número de pruebas Debido a que se seleccionaron dos factores y dos niveles para cada factor, se puede decir que se trata de un diseño factorial de 22, por lo que se deben realizar 4 pruebas experimentales. Y como estas pruebas se realizan por duplicado, da un total de 8 pruebas de secado. 7.5.2.4 Nomenclatura de las pruebas En la siguiente tabla se muestra la forma en que fueron nombradas cada una de las pruebas. A la replica uno se le agrega R1 y a la replica dos R2.. Temperatura (°C) Nombre 25 45 T1 T2 Velocidad 1 V1 V1T1 V1T2 (m/s) 2 V2 V2T1 V2T2 Tabla 5. Nomenclatura de pruebas. Fuente: Autor.. 7.5.2.5 Proceso experimental Como se mencionó anteriormente el proceso de secado del banano ocurre principalmente durante el periodo de velocidad decreciente. Entonces para el desarrollo de las pruebas experimentales, se realizó un tratamiento previo con el fin de aumentar el contenido de humedad del banano y así obtener curvas de secado completas en las que se observaran de los diferentes periodos de secado. La metodología seguida para la realización de las pruebas de secado se muestra en el ANEXO A.. 53.

(54) IQ-2005-1-05. 8. RESULTADOS Y ANÁLISIS. 8.1 Curvas de secado Las curvas de secado para el banano, obtenidas bajo las diferentes condiciones de operación (velocidad y temperatura del aire) y sus réplicas se muestran a continuación. Los datos experimentales se encuentran tabulados en el ANEXO B. 8.1.1 Contenido de humedad en función del tiempo Las curvas de las gráficas 4 y 5. fueron obtenidas tabulando los valores. experimentales de humedad versus tiempo, para las réplicas 1 y 2 respectivamente. En éstas curvas se puede apreciar la pérdida de humedad contenida en el material a medida que aumenta el tiempo de exposición a la corriente de aire caliente.. Humedad (g de agua/ g de sólido seco). Contenido de humedad en función del tiempo V1T1 (R1). V1T2 (R1). V2T1 (R1). V2T2 (R1). Polinómica (V1T1 (R1)). Polinómica (V2T1 (R1)). Polinómica (V1T2 (R1)). Polinómica (V2T2 (R1)). 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Tiempo (min). Gráfica 4. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre las diferentes pruebas de secado, de la réplica 1. Fuente: Autor.. 54.

(55) IQ-2005-1-05. Humedad (g de agua/ ga de sólido seco). Contenido de humedad en función del tiempo V1T1 (R2). V1T2 (R2). V2T1 (R1). V2T2 (R2). Polinómica (V1T1 (R2)). Polinómica (V2T1 (R1)). Polinómica (V1T2 (R2)). Polinómica (V2T2 (R2)). 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Tiempo (min). Gráfica 5. Comparación del contenido de humedad en función del tiempo entre las diferentes pruebas de secado, de la réplica 2. Fuente: Autor.. Analizando las curvas se puede ver que: Para alcanzar un mismo contenido de humedad, por ejemplo 1.4 g de agua/ g de sólido seco, se requieren tiempos de secado prolongados cuando se trabaja a baja temperatura, es decir a 25 °C. La diferencia en tiempos de secado entre las curvas a 25 y 45 °C es considerable, debido a que la temperatura favorece la transferencia de calor y masa permitiendo la eliminación de una misma cantidad de humedad en lapsos de tiempo más cortos. 8.1.2 Velocidad de secado en función del contenido de humedad En las gráficas 6 y 7 se observa la cinética de secado del banano para las réplicas 1 y 2 respectivamente. En estas se puede observar la presencia de los tres periodos de secado, ya que el fruto fue sometido a un pretratamiento aumentando su contenido de humedad.. Debido al contenido de humedad. extra, se puede notar la aparición de un periodo de velocidad inestable y un periodo de velocidad constate; periodos durante los cuales se evapora la humedad que absorbió el material durante el pretratamiento. Finalmente, en el. 55.

(56) IQ-2005-1-05. periodo de velocidad decreciente se elimina la humedad que contenía el banano inicialmente.. Velocidad de secado en función del contenido de humedad V1T1 (R1) V2T1 (R1). V1T2 (R1) V2T2 (R1). Polinómica (V1T1 (R1)) Polinómica (V1T2 (R1)). Polinómica (V2T1 (R1)) Polinómica (V2T2 (R1)). 0.50. N (g de agua/ m^2*s). 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. Humedad (g de agua/g de sólido seco). Gráfica 6. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre las diferentes pruebas de secado de la réplica 1. Fuente: Autor.. Velocidad de secado en función del contenido de humedad V1T1 (R2) V2T1 (R2). V1T2 (R2) V2T2 (R2). Polinómica (V1T1 (R2)). Polinómica (V2T1 (R2)). Polinómica (V1T2 (R2)). Polinómica (V2T2 (R2)). 0.45. N (g de agua/ m^2*s). 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. Humedad (g de agua/g de sólido seco). Gráfica 7. Comparación de la velocidad de secado en función del contenido de humedad entre las diferentes pruebas de secado de la réplica 2. Fuente: Autor.. 56.