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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Santo Domingo
ARTURO RUIZ MORA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Tesis de grado previo a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES
Estudiantes:
LAURO LENIN MACAS BLACIO PETRONEO PATRICIO PALACIO JIMÉNEZ
Director de Tesis:
ING. NELSON NINABANDA
ii
Ing. Nelson Ninabanda
DIRECTOR DE TESIS
APROBADO
Ing. Marcelo Estrella
PRESIDENTE DE TRIBUNAL
Ing. Carlos Centeno
MIEMBRO DE TRIBUNAL
Ing. Holger Zapata
MIEMBRO DE TRIBUNAL
iii
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad de los autores.
_________________________________ Lauro Lenin Macas Blacio 1718962127
_________________________________ Petroneo Patricio Palacio Jiménez 1719728535
Autores: LAURO LENIN MACAS BLACIO
PETRONEO PATRICIO PALACIO JIMENEZ
Institución: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL.
Título de Tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES
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INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…….de………del 2012.
Ing. Marcelo Estrella
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Estimado Ingeniero
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por los señores:LAURO LENIN MACAS BLACIO y PETRONEO PATRICIO PALACIO JIMENEZ, cuyo tema es: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes
Atentamente.
____________________________ Ing. NelsonNinabanda
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DEDICATORIA
Dedico este proyecto de tesis primeramente a Dios, ya que gracias a él he llegado a
cumplir todas mis metas propuestas.
A mi padre Gonzalo Macas por su sacrificio y hacer que este sueño se haga realidad.
En especial a LuliPalacios por su amor y apoyo incondicional en esta etapa tan
importante de mi vida.
vi
DEDICATORIA
El presente informe de investigación lo dedico a mi padre, quien en vida y ahora
desde el cielo me brindó todo su apoyo incondicional, a mi madre quien acertadamente
ha dirigido mi vida, además por ser la persona que con su insistencia y cariño hizo
posible que culmine este trabajo, a mis hermanos, a mis amigos, a mi novia Diana, por
haber estado siempre presentes hasta esta parte de mi vida y sobre todas las cosas a
Dios.
vii
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a la Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Santo Domingo, al
Ing. Nelson Ninabanda por su conocimiento e invalorable aporte para la elaboración
de este proyecto de tesis.
A nuestro amigo Daniel Veloz quien fue un ejemplo a seguir de compañerismo y
amistad durante nuestra etapa universitaria.
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Portada i
Sustentación y Aprobación de los Integrantes del Tribunal ii
Responsabilidad del Autor iii
Aprobación del Director de Tesis iv
Dedicatoria v
Dedicatoria vi
Agradecimiento vii
Índice viii
Resumen Ejecutivo xii
ExecutiveSummary xv
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes 1
1.1.1 Antecedentes históricos 1
1.1.2 Antecedentes científicos 2
1.1.3 Antecedentes prácticos 3
1.1.4 Importancia del estudio 4
1.1.5 Situación actual del tema de investigación 4
1.2 limitaciones del estudio 5
1.3 Alcance del trabajo 5
1.4 Objeto de estudio 6
1.5 Objetivos 6
1.5.1 Objetivo general 6
1.5.2 Objetivos específicos 6
1.6 Justificación 7
1.7 Hipótesis 7
1.7.1 Hipótesis afirmativa 7
1.7.2 Hipótesis negativa 8
1.8 Aspectos metodológicos del estudio 8
1.8.1 Tipo y nivel de investigación 8
1.8.2 Métodos de investigación 9
ix
2.2 Toronjil 12
2.3 Albahaca 13
2.4 Temperatura 15
2.4.1 Medición de Temperatura 16
2.4.2 Instrumentos de medición de la temperatura 16
2.5 Calor 17
2.5.1 Detección del calor 17
2.5.2 Formas de transferir el calor 18
2.5.2.1 Conducción 18
2.5.2.2 Convección 19
2.5.2.3 Radiación 19
2.5.3 Calor Sensible 20
2.5.4 Calor Latente 21
2.5.5 Calor Específico 22
2.6 Deshidratación 22
2.6.1 Parámetros relacionados con la deshidratación 23
2.6.1.1 Contenido de humedad 23
2.6.1.2 Masa de humedad a remover del producto 25
2.6.1.3 Periodos del secado 26
2.7 Psicrometría 27
2.8 Intercambiadores de calor 28
2.9 Técnicas de secado 28
2.9.1 Secado por aire caliente 29
2.9.2 Secado al vacío 30
2.9.3 Secado por superficies calientes 31
2.9.4 Secado por radiación 32
2.10 Combustibles 33
2.10.1 Propiedades de los combustibles 33
2.10.1.1 Punto de inflamación 33
2.10.1.2 Punto de ignición 33
2.10.1.3 Punto de fluidez 34
2.10.1.4 Viscosidad 34
2.10.1.5 Temperatura adiabática de la llama 34
2.10.2 Proceso de combustión 35
2.11 Quemadores a gas 36
2.11.1 Quemadores atmosféricos 36
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES
3.1 Introducción 38
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3.2.4 Flujo de aire caliente 42
3.3 Parámetros de diseño y selección 42
3.3.1 Selección del quemador 42
3.3.1.1 Aspectos técnicos 43
3.3.1.2 Aspectos económicos 43
3.3.1.3 Aspectos complementarios 43
3.3.2 Diseño térmico 44
3.3.2.1 Volumen de las bandejas 44
3.3.2.2 Dimensiones de la cámara de secado 45
3.3.2.3 Calor sensible 47
3.3.2.4 Calor sensible de las hojas de hierbaluisa a secarse 49
3.3.2.4.1 Calor específico 49
3.3.2.4.2 Masa de la hierbaluisa 49
3.3.2.4.3 Cálculo del calor sensible 49
3.3.2.5 Cantidad de masa de humedad a remover de la hierbaluisa(∆𝑤) 50
3.3.2.6 Calor latente de la hierbaluisa 51
3.3.2.7 Porcentaje de secado de la hierbaluisa 52
3.3.2.8 Calor total o calor útil en la cámara de secado(𝑄𝑢ℎ) 53
3.3.2.9 Pérdidas de calor en la cámara de secado 54
3.3.2.9.1 Pérdidas de calor en las paredes de la cámara de secado 54 3.3.2.9.1.1 Coeficiente de convección interna en la cámara de secado 54 3.3.2.9.1.2 Coeficiente de convección externa a la cámara de secado 57 3.3.2.9.1.3 Coeficiente global de transferencia de calor en la pared de la
cámara de secado 59
3.3.2.9.2 Pérdidas de calor por la salida de aire en el secado(𝑄𝑝𝑠) 63 3.3.2.10 Calor requerido o necesario en la cámara de secado 65
3.3.2.11 Calentamiento del aire 65
3.3.2.11.1 Coeficiente de convección interno del tubo (hitb) 67 3.3.2.11.2 Coeficiente de convección externo del tubo (hotb) 69 3.3.2.11.3 Coeficiente global de transferencia de calor en el tubo 72 3.3.2.11.4 Coeficiente global de transferencia de calor en el tubo con
incrustación 74
3.3.2.11.5 Cálculo del calor útil en un tubo del intercambiador de calor 75 3.3.2.11.6 Cálculo del número de tubos en el intercambiador 75 3.3.2.11.7 Calor útil en la cabina de calentamiento del aire 76 3.3.2.11.8 Pérdidas de calor en la cabina de calentamiento del aire 77 3.3.2.11.8.1 En las paredes de la cámara de combustión 77
3.3.2.11.8.1.1 Coeficiente de convección externo 77
3.3.2.11.8.1.2 Coeficiente de convección interno 78
3.3.2.11.8.1.3 Coeficiente global de transferencia de calor 78 3.3.2.11.8.2 En las paredes del intercambiador de calor 81
3.3.2.11.8.2.1 Coeficiente de convección externo 81
3.3.2.11.8.2.2 Coeficiente de convección interno 82
xi
3.3.2.15 Cálculo de la densidad media del aire 89
3.3.2.16 Selección del ventilador (aire necesario) 91
3.3.2.17 Selección del controlador de temperatura 92
CAPÍTULO IV
CONSTRUCCIÓN DEL DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES
4.1 Construcción del deshidratador de plantas medicinales 94
4.1.1 Construcción de la cámara de combustión 94
4.1.1.1 Construcción del intercambiador de calor 96
4.1.1.2 Construcción de la chimenea 98
4.1.2 Construcción de la cámara de secado 99
4.1.3 Instalación del sistema de combustión 103
4.1.4 Instalación del sistema de control eléctrico 104
4.2 Ensamblado total del deshidratador 105
CAPÍTULO V
FUNCIONAMIENTO Y PRUEBAS DEL DESHIDRATADOR
5.1 Parámetros y variables 106
5.2 Equipos e instrumentos 106
5.2.1 Cámara de secado 107
5.2.2 Cámara de combustión 107
5.2.3 Sistema de combustión 107
5.2.4 Sistema de control eléctrico 107
5.2.5 Sistema de suministro de aire 107
5.2.6 Controlador de temperatura 108
5.2.7 Balanza digital 108
5.3 Procedimiento 108
5.4 Evaluación de resultados 109
CAPÍTULO VI ANÁLISIS ECONÓMICO
6.1 Costo de materiales y equipos 113
6.2 Costo de mano de obra 115
6.3 Costos Misceláneos 115
xii
7.2 Recomendaciones 118
BIBLIOGRAFÍA 119
ANEXOS 121
xiii
Uno de los principales ingresos económicos en nuestro país lo constituyen las actividades del campo y agricultura. Así pues, una actividad que se está incrementando en los últimos años es la producción de plantas medicinales.Las plantas medicinales son utilizadas en diferentes áreas de la medicina natural y para el consumo personal en nuestros hogares.
En el proceso industrial de las plantas medicinales es indispensable el secado o deshidratación de las mismas para su almacenamiento por largos periodos de tiempo. El contenido de agua en las plantas medicinales deteriora sus propiedades curativas, causando su descomposición y la presencia de hongos durante su almacenamiento por largo tiempo. Por lo tanto, es necesario deshidratar las hojas y/o tallos a utilizarse para que las plantas resistan el almacenamiento hasta el procesamiento industrial y utilización. Lográndose de esta manera que los productores de plantas medicinales puedan almacenarlas en épocas de abundancia y evitar desechar la producción, lo que produce considerables pérdidas económicas.
El presente proyecto tiene como propósito el diseño y la construcción de un deshidratador de plantas medicinales.
En el Capítulo I, constan los antecedentes del tema de investigación, así como su importancia, limitaciones, objetivos generales y específicos, además de los métodos aplicados para su elaboración.
xiv
térmico y estructural del deshidratador. El diseño térmico empieza por dimensionar la cámara de secado, cálculo del calor sensible y latente para deshidratar las plantas medicinales, pérdidas de calor, números de tubos del intercambiador de calor, cantidad de gas licuado de petróleo requerido y selección de ventilador para impulsar el flujo de aire caliente. El diseño estructural consta básicamente en patrones utilizados para construcción de máquinas similares de acuerdo a las dimensiones a utilizarse.
El Capítulo IV concierne a la construcción, la cual está dividida principalmente en dos partes que son: la cámara de secado y el intercambiador de calor (cámara de combustión).
La cámara de secado está construida para dos bandejas donde se alojan las plantas medicinales y la cámara de distribución de aire. Todas las paredes tienen lana de vidrio de 1”.
El intercambiador corresponde a uno de flujo cruzado de tres pasos en forma de S, consta de 2 tubos de 1” por el cual circula en su interior el aire impulsado por un ventilador centrifugo hacia la cámara de secado, y por fuera de los tubos se hace circular los gases emitido por un quemador atmosférico circular. El quemador está alojado en la cámara de combustión, la misma que tienen en sus paredes ladrillos refractarios. Las paredes del intercambiado de calor tienen aislante térmico de 1”. Además consta de la construcción del tiro y chimenea para la salida de los gases de combustión.
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xvi
One of the mainincomesin our countryis made upoffieldactivitiesand agriculture. Thus,an activity thatis increasingin recent years is theproduction of medicinal plants.
Medicinal plants areused in differentareasof natural medicineandpersonal consumptionin our homes.
In the industrial processof medicinal plantsis essential tothe dryingor dehydrationofthe samefor storagefor long periodsof time. The water contentin medicinal plantsimpairs its healing properties, causing decomposition andthe presence of fungiin storagefor a longtime. Therefore,it is necessary todehydratethe leaves orstalksofthe plantsused towithstandstorage tothe industrial processingand use. Thusachievingthe producersof medicinal plantscanstore them intimes of plentyandavoid discardingthe production, resulting in considerable economic losses.
Thisproject aims atdesigning andbuilding a prototypefor dryingherbs.
In ChapterI,the backgroundconsistof the research topicand itsimportance, limitations, objectives and targets, as well as the methods usedin its manufacture.
Continuingin ChapterII, we present the theoretical conceptsand definitions, which are essential for the development of thisresearch.
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selectingrequireddrivingthe flow fanhot air. The structural
designconsistsbasically ofpatterns usedforconstructionof similar machinesaccordingto the dimensionsto be used.
ChapterIVconcerns theconstruction,which is dividedmainlyinto twoparts:the drying chamberandheat exchanger (combustion chamber).
The drying chamber is built toaccommodatetwo trayswheremedicinal plants andtheairdistribution chamber. All the walls haveaglass woolinch.
Exchangercorresponds toacross flowof threestepsin the form ofS, consists of twotubesofan inchwhich circulatesthe airinsideacentrifugal fandrivenintothe
drying chamber, and outofthe tubescirculatesthe gasesemitted
byanatmospheric burnercircular. The burneris housed inthe combustion chamber, the same who haverefractory bricksin its walls. The walls of theheatexchangedwiththermalinsulationof an inch. Further comprisesthe construction of thechimneydraft andfor the exit ofthe combustion gases.
In ChapterVwe describethe operation andanalysis of the resultsof the dehydratorand proceeded toperform the respectivedryingtestswithfreshherbs.
In ChapterVIdetail theexpenses thatwere incurredfor the developmentof the proposed item at the beginningof this investigationand thussuccessfully completingthe proposed work.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
1.1.1 Antecedentes Históricos
Desde hace mucho tiempo atrás, la humanidad ha buscado en las plantas la curación de los males de su cuerpo. Avanzando en la historia, se observa una mayor inquietud por las cualidades curativas de muchas plantas de las distintas regiones del planeta.
En el siglo XVIII, comienza la comercialización de las plantas medicinales, siendo éstas los únicos medicamentos. Consecuencia de la mayor información sobre el potencial terapéutico del reino vegetal, se ha desarrollado la investigación de nuevos preparados a base de plantas, en los que la selección de sus ingredientes se realiza en laboratorios.
Precisamente los primeros herbolarios fueron hombres y mujeres experimentados en el tema de las hierbas y sus aplicaciones medicinales, culinarias, para la preparación de tintes, perfumes y cosméticos. Finalmente durante la revolución industrial del siglo XIX en el mundo occidental, la urbanización y la creciente división del trabajo provocaron la desaparición gradual de esta sabiduría rural.
1.1.2 Antecedentes científicos
Una gran parte de los medicamentos tradicionales contiene sustancias de origen vegetal, y los fitofármacos son medicamentos elaborados exclusivamente con principios activos de origen vegetal.
Estos principios son vitaminas, minerales, carbohidratos, micro elementos y agentes curativos específicos, que ayudan al cuerpo en su lucha contra la infección. Las hierbas se usan mucho para aliviar la enfermedad e impedir que ésta vuelva. Desintoxica el organismo y apoya al sistema inmunológico, ayudándole a mantener el equilibrio.
Indicar que a partir del momento en que empiezan a fabricar industrialmente productos a base de plantas medicinales con formas farmacéuticas distintas de las tradicionales, como cápsulas y comprimidos, que aumenta la utilización terapéutica de plantas provenientes de fuera de Europa, y que las plantas medicinales adquieren consideración de medicamentos, se hace necesaria una Garantía de Calidad.
1.1.3 Antecedentes prácticos
La deshidratación es uno de los procesos más antiguos utilizados para la conservación de alimentos en donde no solo se produce un cambio de peso y volumen, sino también que no haya cambio significativo en sus características físicas y químicas.
En estas transformaciones intervienen entre otros factores, temperatura y humedad, puntos fundamentales a tener en cuenta a la hora de elegir el deshidratador adecuado para cada producto.
Desde el punto de vista técnico la razón más importante por la que se debe secar las hierbas es su conservación; por este método se promueve el mantenimiento de los componentes del vegetal fresco y se evita la proliferación de microorganismos.
También hay aspectos comerciales: la deshidratación debe llevarse a cabo en las mejores condiciones para que las hierbas no pierdan nada del aspecto que deben presentar, para que cautiven y ejerzan la mayor atracción, así serán más apreciadas, más demandadas y , sobre todo, mejor pagadas.
1.1.4 Importancia del estudio
En nuestra región y en diferentes partes del país, es conocido que mucha producción se deteriora, debido a las precarias condiciones en que se realiza el tratamiento de la mayor parte de productos entre ellos las plantas medicinales. El tratamiento de los productos se compone de una serie de operaciones unitarias entre las que se destaca la deshidratación. La falta de deshidratación adecuada es una de las principales fuentes de pérdidas de los productos agrícolas.
Es importante que en nuestra región se consoliden grupos de investigación en diferentes áreas comerciales, especialmente en maquinarias para la agroindustria ya que en nuestra provincia y sus alrededores existe un gran porcentaje de empresas y microempresas dedicadas a diferentes actividades agroindustriales. Con el propósito, objetivos y resultados del presente trabajo se pretende dar un paso importante, en el diseño y construcción de un deshidratador de plantas medicinales.
1.1.5 Situación actual del tema de investigación
Actualmente se utilizan varios métodos para la deshidratación de plantas medicinales, entre ellos predominan el secado o deshidratación natural, De ahí nace la necesidad de aplicar nuevas técnicas para la conservación de alimentos.Estos mecanismos pueden utilizarse para procesar el alimento sin que se vea afectada su calidad y, por tanto, manteniendo sus características organolépticas intactas1.
Actualmente existen algunas técnicas que se emplean para la conservación de alimentos, los cuales se denominan procesos no térmicos dentro de estos
1
existen: La alta presión hidrostática, campos magnéticos oscilantes, campos de alta intensidad de pulsos eléctricos, pulsos lumínicos intensos, irradiación, aditivos químicos – bioquímicos y tecnología de barreras.
1.2 Limitaciones del estudio
Actualmente es poca la utilización de máquinas para el secado de plantas, por lo general utilizan medios caseros para evitar gastos de producción, como por ejemplo el horno de cocinas e incluso secan en patios de cemento o carreteras pavimentadas en días soleados.
Falta de empresas que empleen tecnologías de secado en nuestra región, conllevan a utilizar medios de secados convencionales para el almacenamiento de plantas medicinales.
1.3 Alcance del trabajo
Diseñar y construir un deshidratador de plantas medicinales, que serácontrolado mediante un circuito de control eléctrico para evitar las pérdidas de las propiedades curativas de las plantas medicinales. El equipo, producto de la investigación, contribuirá y redundara en beneficio de la industria medicinal alternativa de la región y además fomentará y fortalecerá la investigación científica, como soporte para desarrollar procesos industriales y poner la misma al servicio de la población.
particular, ya que constituyen una alternativa de supervivencia para un país que se caracteriza por la desigualdad social y económica imperante en nuestra era.
El desarrollo y aplicación de la física permite crear la infraestructura tecnológica y capacitar al personal necesario, para aprovechar los descubrimientos y avances científicos.
1.4 Objeto de estudio
Diseño y construcción de un deshidratador de plantas medicinales.
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo general
Diseñar y construir un deshidratador de plantas medicinales con un sistema de combustión de gas licuado de petróleo.
1.5.2 Objetivos específicos
• Diseñar y construir una cámara de secado y de combustiónpara el proceso de deshidratación.
• Diseñar y construir un intercambiador de calor para la cámara de combustión.
• Comprobar los parámetros de operación del deshidratador (pruebas).
1.6 Justificación
Este proyecto está relacionado con mejorar la producción y comercialización de plantas medicinales en la zona ya que en los últimos años ha incrementado la demanda de este tipo de medicina alternativa en nuestro país.
Cabe resaltar que gran parte de la producción de plantas medicinales se pierden debido a que las almacenan sin una apropiada deshidratación.
Para el procesamiento y comercialización de las plantas medicinales, la deshidratación es una etapa de vital importancia ya que tiene como objetivo principal deshidratar las hojas, de tal manera que se las pueda almacenar por largo tiempo sin riesgo a que se dañen por la presencia de humedad.
Entonces este estudio y posterior diseño y construcción del “deshidratador de plantas medicinales” contribuirá en beneficio del sector agroindustrial de la región, para obtener productos de probada calidad, que posteriormente serán comercializadas en los mercados locales e internacionales, en beneficio directo de la población.
1.7 Hipótesis
1.7.1 Hipótesis afirmativa
1.7.2 Hipótesis negativa
El diseño y construcción de una máquina que no deshidratará plantas medicinales conservando sus propiedades curativas.
1.8 Aspectos metodológicos del estudio
1.8.1 Tipo y nivel de investigación
El tipo de investigación a aplicarse es la experimental, explorativa, correlacional, predictiva y observacional.
Experimental.- Porque se diseñara y construirá, además de comprobar experimentalmente las variables necesarias para obtener un producto de calidad.
Explorativa.- Porque se busca establecer un diagnóstico de las técnicas actuales de conservación de productos agrícolas las cuales se apoyan en procesos térmicos y tradicionales.
Correlacional.- Debido a que se analizan variables propias de los requerimientos de altas temperaturas, y sistema de combustión de gas licuado de petróleoque no influyan negativamente en la alimentación humana.
Predictiva.- Porque estable conductas de las variables a futuro, una vez que esta investigación concluya.
1.8.2 Métodos de investigación
Analítico.- Este método servirá para el tratamiento, la interpretación de los datos recopilados en el proceso de la investigación y además para la elaboración de los resúmenes.
Inductivo.- Partimos del problema que la aplicación de procesos térmicos tradicionales, derivan en pérdidas de propiedades curativas de las plantas medicinales.
Deductivo.- Luego de determinar como punto de partida los aspectos teóricos, y resultados de la experimentación y análisis de los resultados relacionadas con la deshidratación de plantas medicinales con un sistema de combustión de gas licuado de petróleo… llegaremos a establecer generalizaciones relacionadas con los requerimientos de reducción de humedad en las plantas, para por último elaborar propuestas que traigan como resultado soluciones al problema propuesto en el trabajo investigativo.
Estadístico.- Se utilizarán para el análisis, elaboración de tablas y graficación de los datos para un mejor entendimiento del presente trabajo investigativo, el tratamiento estadístico permite un verdadero proceso de síntesis y reorganización llevándonos finalmente extraer resultados.
1.9 Población y muestra
Hojas de Hierbaluisa, albahaca y toronjil.
Figura. 1.1
Hierbaluisa, toronjil y albahaca.
CAPÍTULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1 Hierbaluisa
Es una plantaque pertenece a las herbáceas que tiene una vida por encima de los dos años, además es aromática y robusta que se propaga por brotes y pertenece a la familia de las Gramíneas. Las flores se reúnen en espiguillas de 30-60 cm de longitud formando racimos. Es natural de la India, Ceilán y Malasia. En la actualidad se la cultiva como planta medicinal en zonas tropicales y subtropicales. También en las Islas Canarias.
Figura 2.1 Hierbaluisa
Fuente:http://tosagua.wordpress.com
De la hierbaluisa se obtiene el aceite esencial denominado Citronela y que científicos japoneses han demostrado con pruebas que los aceites extraídos de la hierba luisa tienen buen potencial como terapia alternativa para erradicar la Helicobacter pylori que es una bacteria que infecta el mucus del epitelio estomacal humano. Muchas úlceras y algunos tipos de gastritis se deben a infecciones por H. pylori.
Es usado en la cocina asiática, especialmente en la cocina de Tailandia. Científicos de la Universidad de Kyoto, Japón, concluyeron que el aceite esencial de la hierba luisa demostró plenamente su efectividad contra la bacteria Helicobacter pylori, sin que dicha bacteria presentase resistencia al tratamiento con este aceite esencial.
2.2 Toronjil
Está planta conocido como melisa, cedrón o cidronela, su nombre científico es Melissa officinalis. El nombre de "toronjil" proviene del olor típico a limón o toronja que despegan sus hojas. El toronjil tiene un aspecto similar al de la ortiga.
Figura. 2.2 Toronjil
El toronjil es natural de Europa y del Asia Central se amplió a todo el mundo debido a que puede crecer en estado silvestre en terrenos ricos en materia orgánica y en lugares frescos y sombreados. Se puede cultivar fácilmente. Las hojas y flores deben recogerse durante la floración. El material recogido debe secarse a la sombra y guardarse en depósitos herméticos y bien limpios.
El toronjil es una planta herbácea, vivaz y fragante que puede llegar a alcanzar los 80 cm. de altura. Al llegar la primavera da brotes tiernos, renovándose todos los años. Los tallos son rectos, angular, vellosos, simples y recorridos por un surco profundo. Las hojas se disponen unas frente a otras, acopladas, verdes, pecioladas, ovadas, grandes, con algunos pelillos en la superficie y borde rizado y cerrado.
2.3 Albahaca
Es una planta herbácea, anual, hasta de 50 cm de altura, aromática, el tallo es anguloso y muy ramificado.
Hojas opuestas, aovadas, anchas, con glándulas de aceite. Flores blancas, sésiles, labiadas, con brácteas verdes, reunidas en una panícula terminal.
Figura. 2.3 Albahaca
Es una planta muy aromática y perfumada, que se ha utilizado desde siempre para dar sabor y aroma a muchas salsas y guisos; pero además de ser condimento culinario, cuenta con muchas propiedades medicinales que muchos desconocen.
Es considerada estimulante, tónico, carminativo, antifebril, expectorante, diurético, digestivo, laxante, vermífugo, analgésico, anti diarreico, antiemético, antiespasmódico, sedante, ayuda en el parto, calmante de las picaduras de los insectos, también se le atribuyen propiedades afrodisíacas.
El aceite se utiliza contra la depresión, el agotamiento nervioso y la fatiga mental, se usa también como repelente de insectos; como refrescante se añaden cinco gotas al agua de baño. La decocción de la planta entera y seca se utiliza en enjuagues bucales y en gargarismos para eliminar las inflamaciones de las encías y de la garganta.
La decocción es considerada como estimulante y sudorífico; también se utiliza contra la inflamación intestinal, vértigos, vómitos y espasmos.
Las hojas frescas se frotan sobre las picaduras de insectos para reducir el prurito y la inflamación. El extracto se utiliza para curar personas con afecciones intestinales y renales, trastornos gástricos crónicos. Se afirma que estimula la secreción láctea de las madres que están amamantando, que regulariza las menstruaciones y que estimula la corteza suprarrenal.
Se usa como refrescante en baños, compresas vulnerarias y gargarismos. El jugo se usa contra tos, dolor de oído, problemas de la piel y mordeduras de serpientes. Las hojas secas trituradas y machacadas en grasa sin sal ni manteca de cerdo, se transforman en una pomada utilizada en las afecciones de los labios, párpados y pezones lastimados
2. 4 Temperatura
La temperatura es una dimensión referida a las nociones frecuentes de caliente o frío. Frecuentemente, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor, y si fuere frío tendrá una temperatura menor.
Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido rotacional o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema, se observa que está más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
2.4.1 Medición de Temperatura
Se han ingeniado muchas herramientas para medir la temperatura de forma exacta. Todo comenzó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite fijar un número a cada medida de la temperatura.
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los países y en todas las aplicaciones científicas.
Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente:
o
K = 273.15 + oC oC = (5/9)*(oF-32) oF = (9/5)*oC+32
2.4.2Instrumentos de medición de la Temperatura
Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas veces necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como por ejemplo en el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas situaciones necesitamos instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar la fuente de energía. Estos instrumentos miden la radiación térmica que es emitida por la fuente de calor. Ejemplos de estos tipos son las cámaras y detectores infrarrojos.
2.5 Calor
El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento, rotando alrededor de sí mismas, vibrando o estrellándose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia
La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a saltar para entrar en calor.
2.5.1 Detección del calor
Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen detector de calor que nos permite interpretar el movimiento molecular medio en un objeto como una sensación de frío o calor. Pero nuestra piel no siempre nos da medidas consistentes del calor. Para esto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma precisa el calor, como un termómetro.
2.5.2 Formas de transferir el Calor
El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.
2.5.2.1Conducción
La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto más caliente hasta el más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura.
Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría.
2.5.2.2Convección
En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más eficiente de transferir calor. La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando esto ocurre, el fluido frío desciende tomando el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación en que el calor se transfiere a las regiones frías.
Puede ver como tiene lugar la convección cuando hierve agua en una olla. Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las regiones más frías de la superficie. Probablemente usted esté familiarizado con la expresión: "el aire caliente sube y el frío baja", que es una descripción del fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este caso se transfiere por la circulación del aire.
2.5.2.3Radiación
Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio. Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen a niveles de energía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o radiación electromagnética. La energía absorbida por los átomos hace que sus electrones "salten" a niveles de energía superiores. Todos los objetos absorben y emiten radiación.
2.5.3 Calor Sensible
Cuando se suministra energía por calentamiento a un cuerpo se produce un cambio en la velocidad de sus moléculas y la temperatura varia. Sin embargo durante un cambio de fase la energía suministrada al cuerpo se emplea en cambiar las posiciones relativa de las moléculas entre sí y hacerles superar la fuerza de tensión entre ellas, de tal forma que la temperatura permanece constante.
En el primer caso la variación de temperatura indica transferencia de energía.
El efecto de calentamiento o enfriamiento de un cuerpo puede ser analizado observando la temperatura. El calor añadido de esta forma se llama calor sensible a que la transferencia de calor habida es tangible.
La expresión que permite determinar el calor sensible es:
Qs = m x Cp x ΔT
Qs: Calor Sensible W (watio) m: masa a calentarse (kg/s) Cp: Calor especifico (KJ/Kg ºC)
ΔT: Diferencia de temperatura inicial y final (ºC)
2.5.4 Calor Latente
En este tipo de calor, no se pueden a partir de la temperatura, constatar transferencia de calor ya que la temperatura permanece constante. Se da el nombre de calor latente a la energía empleada para el cambio de estado (“latente” significa “oculto”).
Si el cambio es de estado líquido a vapor se emplea el calor latente de vaporización.
La expresión que permite determinar el calor latente es:
Ql = m x hfg
Donde:
Ql: Calor latente W (watio) m: agua a evaporarse (kg/s)
2.5.5 Calor específico
Se define como la energía requerida para elevar un grado de temperatura de una masa unitaria de una sustancia.
En termodinámica interesan dos clases de calores específicos:
El calor especifico a volumen constante Cv y el calor especifico a presión constante Cp.
Físicamente el Cv puede verse como la energía requerida para elevar la temperatura de una masa unitaria de una sustancia por un grado, mientras su volumen se mantiene constante. La energía requerida para hacer lo mismo si la presión se mantiene constante es el Cp.
El Cp siempre es mayor al Cv debido a que la presión constante permite que el sistema se expanda y la energía para ese trabajo de expansión también debe suministrarse al sistema.
Una unidad común para los calores específicos es el KJ/KgºC o KJ/KgK.
2.6 Deshidratación
corriente de aire, como medio de captación del vapor de agua por ser el medio más económico.
2.6.1 Parámetros relacionados con la deshidratación
La deshidratación de productos es la remoción de su humedad; existen pues algunos parámetros que se relacionan con el proceso de secado, los cuales son:
2.6.1.1 Contenido de humedad
El contenido de humedad es la cantidad de agua presente en un material, se expresa generalmente en términos de porcentaje ya sea en base húmeda o base seca.
Contenido de humedad en base húmeda
Es la masa de humedad sobre la masa total de material fresco a secar:
𝑋𝑤 =𝑆𝑤 ∗ 100 %𝑊
Donde:
Xw: Porcentaje de humedad en base húmeda
W: Masa de agua (Kg)
Pero:
Sw = Sd + W
Donde:
Sd: Masa de sólido seco (kg)
Con lo cual tenemos:
𝑋𝑤 = 𝑤
𝑆𝑑 + 𝑤 ∗ 100%
Contenido de humedad en base seca
Es la relación de la masa de humedad presente en un producto, sobre la masa seca de dicho sólido.
𝑋𝑑 = 𝑆𝑑 ∗ 100%𝑤
Donde:
Xd: Porcentaje de humedad base seca.
𝑋𝑑 = 100 − 𝑋𝑤100 ∗ 𝑋𝑤
2.6.1.2 Masa de humedad a remover del producto
El agua a remover del producto, está dado por el contenido inicial de humedad menos el contenido de humedad final. Esta humedad final debe ser establecida convenientemente dependiendo del tipo de producto.
De la ecuación anterior tenemos:
𝑊 = 𝑋𝑑 ∗ 𝑆𝑑100
𝑊𝑖 = 𝑋𝑑𝑖 ∗ 𝑆𝑑100
𝑊𝑓 = 𝑋𝑑𝑓 ∗ 𝑆𝑑100
𝛥𝑊 = 𝑊𝑖 − 𝑊𝑓
𝛥𝑊 =100 ∗ (𝑋𝑑𝑖 − 𝑋𝑑𝑓) 𝑆𝑑
Donde:
ΔW: Los kilogramos de agua removida considerando el porcentaje de humedad en base seca.
Xdi: Contenido inicial de humedad en base seca.
Para nuestro caso vamos a utilizar una fórmula idéntica pero en base húmeda,
𝛥𝑊 = 100 − 𝑋𝑤𝑖 −𝑆𝑑 ∗ 𝑋𝑤𝑖 100 − 𝑋𝑤𝑓 𝑋𝑤𝑓
2.6.1.3 Periodos del secado
Para dimensionar el equipo de secado, hay que conocer el tiempo necesario para remover la humedad presente en un producto hasta niveles deseados, asi también es importante tener conocimiento de la influencia que sobre el secado presentan las distintas variables de operación, como temperatura, flujo de aire, etc.
Para esto, es necesario disponer de las llamadas curvas de secado que experimentalmente se pueden determinar, ajustando las condiciones en lo posible a las que se prevén regirán en la operación a mayor escala, así por ejemplo la forma como se colocará el producto dentro del secador, relación de la superficie expuesta al aire caliente a la no expuesta, etc.
Una curva de secado relaciona la pérdida de humedad (comúnmente en base seca) con el tiempo (t).
Figura. 2.4 Curva de secado
2.7 Psicrometría
La psicrometría se define como “aquella rama de la física relacionada con la medición o determinación de las condiciones del aire atmosférico, particularmente respecto de la mezcla de aire seco y vapor de agua”, o bien “aquella parte de la ciencia que está en cierta forma íntimamente ligada a las propiedades termodinámicas del aire húmedo”. Las propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor de agua revisten gran interés en la etapa de pos cosecha de productos agrícolas, por el efecto que tiene la humedad del aire atmosférico sobre el contenido de humedad de los productos.
En la conservación y almacenamiento de productos agrícolas se emplean diversas prácticas con participación directa de la psicrometría; una de dichas prácticas es el secado. En el secado a bajas de temperatura en particular, la tasa de secado depende de la capacidad del aire para evaporar la humedad (potencial de secado), la cual es determinada por las condiciones psicométricas del aire: temperatura y humedad relativa.
2.8 Intercambiadores de calor
Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo en el cual se efectúa la transferencia de energía térmica desde un fluido hasta otro. En los intercambiadores más sencillos el fluido caliente y el fluido frío se mezclan directamente; sin embargo los intercambiadores más comunes son aquellos en los cuales los fluidos están separados por una pared. Estos últimos, llamados recuperadores, pueden variar desde una simple placa plana que separa dos fluidos hasta configuraciones complejas que incluyen pasos múltiples, aletas y deflectores. En este caso se requieren los principios de transferencia de calor por conducción, convección y en ocasiones por radiación, para describir el proceso de intercambio de energía.
En el diseño de los intercambiadores de calor intervienen muchos factores, entre los cuales se incluyen el análisis térmico, tamaño, peso, resistencia estructural, caída de presión y costo.
2.9 Técnicas de secado
El secado artificial además de reducir el tiempo de secado y de restringir la producción de defectos, permite alcanzar contenidos de humedad tan bajos como sean requeridos de acuerdo con el uso final del producto.
El secado se ha venido desarrollando en formas diferentes, entre las técnicas más usadas están las siguientes:
• Secado por aire caliente.
• Secado al vacío.
• Secado por superficies calientes.
• Secado por radiación.
2.9.1 Secado por aire caliente
Este tipo de hornos se compone de cuatro elementos principales:
1. Sistema de calentamiento del aire.
2. Ventilador.
3. Ducto de circulación del aire.
4. Cámara de secado.
ventilador, pasa a través de la capa del producto y reduce su contenido de humedad.
La temperatura del secado afecta directamente la tasa de secado. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la tasa de evaporación, y en caso de determinados productos pueden presentar irregularidades en el contenido final del producto.
La cámara de secado puede ser rectangular o circular, el tamaño de las bandejas son normalizadas, la estructura para soportar las bandejas de metal y la masa del producto pueden ser de distintos materiales.
2.9.2 Secado al vacío
El secado al vacío considera, que la circulación del agua desde el interior del producto es de 100 a 1000 veces más lenta que la velocidad de evaporación en la superficie del material. Por lo tanto, para aumentar la velocidad del secado, es necesario aumentar la velocidad de circulación del agua en el interior del producto.
El agua circula a una velocidad cinco veces mayor en un material o producto bajo presión de 60 mm de mercurio que cuando está bajo 760mm de mercurio. Esta propiedad es la que sirve de fundamento para el desarrollo del proceso de secado al vacío.
Además de realizar el vacío, es necesario suministrar la energía calorífica requerida para extraer el agua higroscópica y para pasar el agua del estado líquido al gaseoso.
Sin embargo, se debe tener presente que cuando se crea una depresión (vacío) alrededor del producto, se produce un enrarecimiento del aire ambiente, es decir, del agente de transmisión de calor por convección.La presión de vacío en el cual la transferencia de calor por conducción es de 76-153mm de mercurio.
En estas condiciones es imposible calentar el producto ya que el vacío no transmite el calor. Se debe entonces optar por colocar el producto en contacto con elementos calientes, por ejemplo, placas calientes. Otra forma puede ser interrumpiendo el vacío a intervalos regulares y durante estas interrupciones calentar la atmósfera, también se puede colorar encima del producto elementos irradiantes.
2.9.3 Secado por superficies calientes
La técnica por superficies calientes, hace que el calor de desecación se transfiera al sólido húmedo a través de una pared. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de desecación depende del contacto que se establezca entre el producto mojado y las superficies calientes. Los secadores indirectos se llaman también secadores por conducción o de contacto. Y son apropiados para productos con un gran contenido de humedad.
El aire que hay dentro del secador se moverá a través de las superficies calientes y se forzará para que se mueva también a través del producto, antes de volver a los ventiladores o sopladores. Para reducir la humedad relativa es necesario introducir aire fresco del exterior y extraer el aire húmedo por las compuertas. Cualquier escape que haya en las paredes o en el techo de la estructura, reducirá la cantidad de ventilación que se requiere.
2.9.4 Secado por radiación
El secado por radiación en los productos, ocurre en un campo donde la energía irradiante proviene de resistencias eléctricas, tubos calientes con agua o aceite térmico. En el cual se calienta a una temperatura superior al punto de ebullición del agua debido a la fricción molecular ocasionada por la oscilación de las moléculas. La tasa de calentamiento depende de las propiedades dieléctricas, el calor específico del producto y además de la potencia de la corriente eléctrica disponible.
El calentamiento de los productos húmedos por esta técnica es rápido y uniformemente a través de su sección transversal. La tasa de calentamiento varía según los productos a secarse, entre 5°C y 20°C por minuto. Como se presentan pérdidas de calor y se produce enfriamiento de las superficies debido a la evaporación de la humedad, la distribución de la temperatura decrece de adentro hacia afuera, es decir, en forma opuesta a la que ocurre en el secamiento convencional.
2.10 Combustibles
Son aquellas sustancias que se pueden quemar para liberar energía o calor. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrógeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y existen en todas las fases: sólido, líquido y gaseoso.
Los combustibles utilizados generalmente en la utilización de hornos y calderos industriales, son derivados del petróleo: diesel, gas propano (glp) o bunker.
2.10.1 Propiedades de los combustibles
De entre las propiedades más importantes de los combustibles podemos destacar las siguientes:
2.10.1.1 Punto de inflamación
Es la temperatura más baja a la cual el combustible produce el suficiente vapor, y que al combinarse con el aire se enciende pero no se da un proceso de combustión continua, ya que este se interrumpe inmediatamente. Esta temperatura es importante establecer en las especificaciones del combustible, puesto que determina las precauciones de seguridad en cuanto a transferencia, carga y manejo del hidrocarburo.
2.10.1.2 Punto de ignición
siempre es más alta que la correspondiente al punto de inflamación, y es importante ya que establece la temperatura apropiada para la combustión.
2.10.1.3 Punto de fluidez
Es la temperatura más baja a la cual el combustible todavía fluye, esta temperatura está en el límite del congelamiento. Es importante conocer esta temperatura tanto para el diseño y selección de equipos, como cuanto para el manejo del combustible.
2.10.1.4 Viscosidad
Es el grado de fluidez del combustible y está medida por la resistencia molecular al flujo. Esta característica determina la temperatura a la cual el combustible debe ser calentado para efectos de asegurar una atomización adecuada.
2.10.1.5 Temperatura adiabática de la llama
Es la máxima temperatura que se alcanzaría en un proceso de combustión de un combustible, y permite al ingeniero involucrar a este dato en un marco de diseño, considerando que ningún calor se transfiere desde el sistema de combustión o hacia el sistema de combustión.
La temperatura adiabática de llama depende de los siguientes factores:
• El combustible utilizado.
• Composición química de la mezcla reactante.
• Restricciones del sistema.
• Presión de la mezcla reactante.
Por consiguiente diferentes combustibles producirán diferentes temperaturas adiabáticas de llama; si la composición de la mezcla reactante cambia, también cambiará la temperatura adiabática de la llama.
2.10.2 Proceso de combustión
La combustión es una reacción química durante la cual se oxida un combustible con la presencia de oxígeno para liberar una gran cantidad de energía, con o sin manifestaciones del tipo de llama o radiaciones visibles.
Si la mezcla destinada a la combustión fluye dentro de un tubo hacia un extremo libre del mismo, en condiciones definidas de flujo, la llama puede quedar aparentemente móvil en el extremo libre. Si la velocidad del gas aumenta más allá de un cierto límite, la llama languidece, apagándose por completo; por el contrario, si la velocidad del flujo de la mezcla disminuye sensiblemente, puede producirse el llamado retorno de llama dentro del tubo.
Para que se produzca la llama es necesaria tanto la presencia del combustible y del comburente como la de un iniciador: éste puede ser una chispa o una fuente de calor, como un hilo incandescente o una llama piloto.
𝐶𝑛 𝐻𝑚+ (𝑂2+ 3.76𝑁2) = 𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂 + 3.76𝑁2
Si se conoce el flujo másico del combustible que debe quemarse, la cantidad de aire a utilizarse quedará establecido a través de la relación aire-combustible.
2.11 Quemadores a gas
Los quemadores son dispositivos mediante los cuales, el combustible se pone en contacto y se mezcla con el comburente a fin de provocar una combustión eficiente y lograr de ese modo el efecto térmico buscado.
Los quemadores a gas, como su nombre lo dice emplean combustibles gaseosos, estos se queman y se regulan con mayor facilidad. La combustión se realiza en una sola fase, y no existen problemas de atomización (aceites combustibles) o de pulverización (combustibles sólidos).
Los gases generalmente son limpios y por consiguiente no forman atascos ni ensucian las cámaras de combustión. Los quemadores de gas se pueden regular fácilmente y ofrecen amplias condiciones de productividad; generalmente su precio es más bajo que el de los quemadores de combustibles líquidos.
2.11.1 Quemadores atmosféricos
Figura No. 2.5
Funcionamiento del quemador atmosférico
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL DESHIDRATADOR DE PLANTAS MEDICINALES
3.1 Introducción
Actualmente se utilizan diferentes métodos de secado de plantas medicinales en nuestra región, por lo general en las áreas rurales se secan con la ayuda del sol simplemente pero debido a que vivimos en un clima húmedo mucha parte del cultivo se pierde ya que no se llega a secar todo lo producido. La idea es diseñar un deshidratador de plantas medicinales utilizando como combustible gas licuado de petróleo.
La presente tesis tiene como finalidad diseñar y construir una máquina para deshidratar o secar las plantas medicinales mediante la circulación de aire caliente, para lo cual se utilizara la energía proveniente de la combustión de gas licuado de petróleo (propano). En lo que al producto seco a obtener se refiere, este deberá contener un porcentaje de humedad final con un rango del 6% y 10%.
El equipo de secado por tanto, deberá presentar ciertas características principales como:
• Secado a una temperatura máxima de 80 °C. • Tiempo de secado de 1 a 2 horas.
3.2. Diagrama de Bloques del deshidratador
En el presente diagrama de flujo 3.1 se presenta el proceso que se llevará a cabo para el diseño de un sistema para la deshidratación de plantas medicinales.
Diagrama de Flujo 3.1
Inicio 1
Inicio 2
3.2.1 Cámara de Combustión
En el sistema de calentamiento del aire se lo realizará por medio de la transformación de la energía proveniente de la combustión de gas licuado de
Cámara de Secado Cámara de Combustión Flujo de Aire Circuito de Control Eléctrico
Volumen de las plantas medicinales sin
Deshidratar
Ventilador
VENTILADOR CHIMENEA
SECADO
BANDEJA
ACOPLE TUBOS
QUEMADOR CAMARA
COMBUSTION
INTERCAMBIADOR CALOR CAMARA
petróleo en el quemador atmosférico circular con llama helicoidal en energía calorífica útil, empleando para ello un intercambiador de calor.
En la figura 3.1, muestra un esquema básico del horno secador para plantas medicinales, en el cual se pueden apreciar los principales componentes.
Figura. 3.1
Prototipo del deshidratador
Elaborado por: Patricio Palacio – Lenin Macas/2011
3.2.1.1 Quemador atmosférico a gas
Los quemadores a gas, como su nombre lo dice emplean combustibles gaseosos, estos se queman y se regulan con mayor facilidad. La combustión se realiza en una sola fase, y no existen problemas de atomización y vaporización (aceites combustibles) o de pulverización (combustibles sólidos).
Los gases generalmente son limpios y por consiguiente no forman atascos ni ensucian las cámaras de combustión. Los quemadores de gas se pueden regular fácilmente y ofrecen amplias condiciones de productividad; generalmente su precio es más bajo que el de los quemadores de combustibles líquidos y sólidos.
Sin embargo, el hecho de que generalmente no lleven una reserva localizada de combustibles gaseosos supone una desventaja para este tipo de quemadores, puesto que una falta casual de la fuente de suministro lleva a la parada total de la instalación que lo utiliza. Por esta razón, a veces resulta necesario añadir a los quemadores de gas otros quemadores de combustibles auxiliares (generalmente aceite).
Los quemadores atmosféricos circulares con llama helicoidal son los más empleados en aplicaciones como hornos, cocinas industriales, etc. Este quemador consiste de un distribuidor circular con una conexión que admite la mezcla aire – gas. Una serie de agujeros dispuestos helicoidalmente alrededor de la parte superior del quemador distribuyen las llamas con un patrón circular.
Debido a las características anteriormente mencionadas se ha seleccionado el quemador atmosférico circular con llama helicoidal.
3.2.2 Cámara de Secado
de las plantas medicinales mediante la energía calorífica proveída por aire caliente, radiación y por las superficies calientes donde se alojan las plantas a secarse.
Por seguridad, confiabilidad y economía, el método con aire caliente resulta ser hoy el más utilizado.
3.2.3 Circuito de control eléctrico
El circuito de control eléctrico se encargará de controlar el flujo de aire caliente hacia la cámara de secado en el proceso de la deshidratación, primeramente mediante un interruptor activara dispositivos electromecánicos como relés, controlador de temperatura y sensores, también dispondrá de luces pilotos para señalización, mediante los cuales indicaran que el sistema esta energizado o desactivado.
3.2.4. Flujo de aire caliente
Para crear un flujo interno de aire apropiado, se lo realizará a través de un intercambiador de calor, y en la cámara de combustión se adaptará un ventilador , de esta manera el proceso de deshidratación será más uniforme por toda la cámara de secado, y así se puede optimizar el tiempo de sacado para la deshidratación.
3.3 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN
3.3.1 Selección del quemador
convenientemente dentro de tres aspectos, esto es, técnicos, económicos y complementarios.
3.3.1.1 Aspectos técnicos
• Facilidad de fabricación. • Facilidad de operación. • Facilidad de montaje. • Control.
• Disponibilidad de materiales.
3.3.1.2 Aspectos económicos
• Costo de fabricación. • Costo de mantenimiento. • Costo de montaje.
3.3.1.3 Aspectos complementarios
• Seguridad. • Ergonomía
3.3.2 Diseño térmico
3.3.2.1 Volumen de las bandejas
Para determinar el volumen de las bandejas, se va a considerar el volumen de las plantas medicinales a secarse, lo cual es de 12 000 cm3 y de acuerdo a ello se obtendrán las dimensiones de las bandejas. Para ello se utilizó una maqueta de cartulina y se distribuyó el volumen del producto a secarse en las bandejas para el secado, por lo tanto las bandejas tendrán las siguientes dimensiones:
La cámara de secado va a contar con dos bandejas de las mismas dimensiones, por lo tanto el volumen total del producto a secarse se divide por dos:
𝑉𝑏 =𝑉𝑡2
Dónde:
𝑉𝑏 : Volumen de la bandeja
𝑉𝑡: Volumen total de las plantas medicinales a secarse
𝑉𝑏 =12 000 𝑐𝑚2 3
𝑉𝑡 = 6 000 𝑐𝑚3
0
.0
5
0.30
0.40
Figura. 3.2
Dimensiones de la bandeja en metros
Elaborado por: Patricio Palacio – Lenin Macas/2011
Ancho (b): 0.4 m
Altura (a): 0.05m
Largo (l): 0.3 m
3.3.2.2 Dimensiones de la cámara de secado
Como el deshidratador va a llevar 2 bandejas, separadas 10 centímetros entre sí, cada bandeja será deslizable como compuerta de inspección para ubicar las plantas medicinales a lo largo y ancho de las bandejas, debido a que estas no ocupan la misma de manera uniforme.
0.30
0.15
0.05
0.10
0.05
0.10
0.09
La altura total de la cámara de secado (ac).
ac = 2(5cm) + 2(10cm) + 15 cm + 9 cm ac = 54 cm.
Quedando de la siguiente manera la disposición de los compartimientos de la cámara de secado. Las unidades en el gráfico se encuentran en centímetros.
Figura. 3.3
Disposición de la cámara de secado
Elaborado por: Patricio Palacio – Lenin Macas/2011
Como ya se había calculado anteriormente, el ancho y largo de las bandejas son las siguientes:
Finalmente calculamos el volumen de la cámara de secado (Vc), con la altura determinada de la cámara de secado (a), ancho (b) y largo (l).
𝑉𝑐 = 𝑎 ∙ 𝑏 ∙ 𝑙
𝑉𝑐 = 40 𝑐𝑚 ∙ 54 𝑐𝑚 ∙ 30 𝑐𝑚
𝑉𝑐 = 64 800 𝑐𝑚3
Una recomendación práctica2 dice: “El volumen de una cámara de secado de frutas o plantas debe ser al menos 4 veces el volumen del producto a secarse”.
𝑉𝑐 ≥ 4(𝑉𝑝)
64 800 ≥ 4(12 000) 64 800 ≥ 4 8000
Cumple la recomendación.
3.3.2.3 Calor sensible
Para calcular el calor sensible o de calentamiento empleamos la siguiente fórmula conocida:
𝑄𝑠 = 𝑚 ∙ 𝐶𝑝 ∙ ∆𝑇
Dónde:
m: Flujo másico del producto a calentarse. �𝐾𝑔𝑠 �
2
Cp: Calor específico. � 𝐾𝐽
𝐾𝑔 °𝐶�
∆𝑇: Delta de temperaturas. (°C)
𝑄𝑠: Calor sensible. (W)
Para encontrar el Cp de las plantas medicinales a secarse, utilizamos una expresión en función de la humedad del producto3, que es:
𝐶𝑝= (1.675 + 0.025 ∙ 𝑤) �𝐾𝑔 °𝐶�𝐾𝐽
Donde 𝑤 es el contenido de agua en porcentaje (77.6%).
Se va a tomar como patrón la humedad o contenido de agua de las hojas de Hierba Luisa, ya que es la más representativa entre las tres plantas a secarse.
El contenido de agua de la Hierba Luisa fresca (𝑤) es de 77.6% de acuerdo a una prueba práctica realizada en los laboratorios de química de la UTE Santo Domingo.
La temperatura máxima de secado (𝑇𝑎𝑖) para plantas medicinales4 y la temperatura ambiente (𝑇𝑎) promedio del sitio son respectivamente las siguientes:
𝑇𝑎𝑖 ∶ 80°𝐶
𝑇𝑎 ∶ 25°𝐶
3
Introducción a la Ing. De Alimentos, Paúl Singh, España, Editorial ACRIBIA S.A, pág. 155
4
3.3.2.4 Calor sensible de las hojas de Hierbaluisa a secarse
Se ha tomado como patrón para el diseño a la planta de hierbaluisa, debido a que es la que contiene mayor porcentaje de humedad (70 a 80 %) en comparación con las plantas de toronjil y albahaca, e incluso es una de las plantas medicinales que mayor porcentaje de humedad posee.
3.3.2.4.1 Calor específico
𝑤 ∶ 77.6 (%)
𝐶𝑝= (1.675 + 0.025 ∙ 77.6)
𝐶𝑝 = 3.615 � 𝐾𝐽 𝐾𝑔 °𝐶�
3.3.2.4.2 Masa de la Hierba Luisa
Se ha tomado en cuenta como patrón la masa de la Hierba Luisa para los cálculos debido a que es la planta con mayor porcentaje de humedad a remover y también la de mayor masa por volumen.
La masa de la Hierba Luisa (𝑚ℎ) a secarse es de 0.20 Kg, por lo tanto tenemos el calor sensible:
3.3.2.4.3 Cálculo del calor sensible
𝑄𝑠 = 𝑚ℎ ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎)
𝑄𝑠 = 0.20(𝐾𝑔) ∙ 3.615 (𝐾𝑔 °𝐶) ∙ (80°𝐶 − 25°𝐶)𝐾𝐽
El calor sensible para 200 g, en watts-hora se tiene:
𝑄𝑠 =3.6𝑄𝑠
𝑄𝑠 = 11.05 (𝑊ℎ)
3.3.2.5 Cantidad de masa de humedad a remover de la hierbaluisa (∆𝒘)
La masa de humedad de la planta medicinal se encuentra a partir de los porcentajes de humedad conocidos, empleando la fórmula5:
∆𝑤 = 𝑚𝑠 ∙ �100 − 𝑋𝑤𝑖 − 𝑋𝑤𝑖 100 − 𝑋𝑤𝑓�𝑋𝑤𝑓
Donde:
𝑚𝑠 =masa seca del producto.
𝑋𝑤𝑖 =porcentaje de humedad inicial del producto.
𝑋𝑤𝑓 =porcentaje de humedad final del producto
Pero como no tenemos la 𝑚𝑠, la determinamos a partir de la siguiente expresión6:
𝑚𝑠 = 𝑚𝑐 ∙ (100 − 𝑋𝑤𝑖)
Donde:
5
Diseño y construcción de un deshidratador de frutas, Ángel Oñate, 1997, pág. 18
6
𝑚𝑐 =masa del producto fresco.
Los porcentajes de humedad fresca y seca de la Hierba Luisa son los siguientes valores:
𝑋𝑤𝑖 = 77.6 %
𝑋𝑤𝑓 = 10 %
Para calcular la cantidad de agua a retirar de las plantas medicinales es necesario determinar primero la masa del mismo pero en estado seco:
𝑚𝑠 = 100 (100 − 𝑋𝑤𝑖)𝑚𝑐
𝑚𝑠 = 0.20100 (100 − 77.6)
𝑚𝑠 = 0.0448 (𝐾𝑔)
La cantidad de masa de humedad a retirar de las plantas medicinales en 200 g es:
∆𝑤 = 0.0448 (𝐾𝑔) ∙ �100 − 77.6 − 77.6 100 − 10�10
∆𝑤 = 0.150 (𝐾𝑔)
3.3.2.6 Calor latente de la hierbaluisa
Para determinar el calor latente, se emplea la fórmula7 conocida, que se indica:
Ql = ∆w × hfg
7
∆w: Masa de humedad a retirar del producto hfg : Calor de vaporización del agua.
El agua total a removerse es:
∆𝑤 = 0.150 (𝐾𝑔)
Con la cantidad de agua, y con el calor de vaporización del agua8hfg = 2257 KJ/Kg, tenemos el calor latente para las plantas medicinales en (watts-hora):
Ql = ∆𝑤22573.6
Ql = 0.150 22573.6
𝑄𝑙 = 94.04 (𝑊ℎ)
3.3.2.7 Porcentaje de secado de la hierbaluisa
El grado o porcentaje de secado se expresa mediante la siguiente expresión: % secado = masa de las plantas secas * 100 / masa de las plantas frescas
% secado =𝑚𝑠𝑚𝑐 . 100
% secado =0.04480.20 . 100 % secado = 22.4 %
Esto significa que en 100 g de plantas frescas, queda 22.4 g de plantas después del proceso de secado.
8
También se puede observar que el grado de secado esta alrededor de los porcentajes de secados óptimos9 para las plantas medicinales que es entre 20 a 30%.
3.3.2.8 Calor total o calor útil en la cámara de secado (𝑸𝒖𝒉)
El calor útil es aquel que realmente es aprovechado por el producto, y no es más que la suma del calor sensible (Qs) y calor Latente (Ql).
Qs = 11.05 (Wh) Ql = 94.04 (Wh)
El cual es:
𝑄𝑢ℎ = 𝑄𝑠 + 𝑄𝑙
𝑄𝑢ℎ = 11.05 𝑊ℎ + 94.04 𝑊ℎ 𝑄𝑢ℎ = 105.09 (𝑊ℎ)
El secado de las plantas se realiza en una jornada que va de 1 a 1.5 horas10, entonces el Quh se lo divide para ese tiempo.
Quh =1ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠𝑄𝑢ℎ
Quh =105.09 (𝑊ℎ)1ℎ
Quh = 105.09 (W)
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Manual Técnico de plantas, Colombia, 1998, pág. 376
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