UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Facultad de Ingeniería Química
Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química
“SECADO CON BOMBA DE CALOR PARA LA DESHIDRATACION DE FRUTAS”
Tesis para optar el Título de:
INGENIERO QUIMICO
Autor:
Br. Zavala Cerna Orlando Alfredo
Asesor:
Ing. Manuel Isaías Vera Herrera, Ms. Sc.
TRUJILLO – PERU
2013
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PRESENTACIÓN
Señores Miembros del Jurado:
En mérito a lo dispuesto por el Reglamento de Grados y Títulos, de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Trujillo, cumplimos con someter a vuestro ilustrado criterio la Tesis de titulada: “SECADO CON BOMBA DE CALOR PARA LA DESHIDRATACION DE FRUTAS”, para su evaluación y dictamen respectivo, a efecto de obtener el Título de Ingeniero Químico.
El presente trabajo, ha sido efectuado considerando las exigencias metodológicas de la Facultad de Ingeniería Química, y tiene como objetivo desarrollar las condiciones desecadoqueproporcionaenunproductodeshidratado de calidadparaunsecadorde gabinete con bomba de calor.
Mi reconocimiento a Uds., y en su persona a todos los Profesores que han contribuido con sus conocimientos y experiencias durante esta etapa de formación profesional.
Trujillo – Perú
2013
Br. Orlando Alfredo Zavala Cerna
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Facultad de Ingeniería Química
Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química
JURADO CALIFICADOR
INTEGRANTES:
Dr. José Silva Villanueva Dr. Alberto Quezada Álvarez Presidente Secretario
Ing. Manuel Vera Herrera, M. Sc. Miembro
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DEDICATORIA
Al Todopoderoso y su bendito
Hijo que siempre derraman sus
bendiciones sobre mí y me
conducen por el camino correcto.
A mis padres Hermes e Isabel
que siempre me motivaron para
seguir adelante y me apoyaron
cuando más lo necesite.
A mi esposa Betty e hijos Carlos
Eduardo y Danna Isabel que son
el motivo por el cual seguire
superándome.
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AGRADECIMIENTO
A mis profesores de la Escuela profesional de Ingeniería Química, de la Universidad nacional de Trujillo; quienes con sus enseñanzas y consejos hicieron posible que nos formáramos como profesionales.
Al Ing. Manuel Isaías Vera Herrera, M. Sc, mi asesor de tesis,quién con su vasta experiencia supo orientarme en la consecución de mitrabajo de tesis; y por haberme brindado su apoyo incondicional y amistad sincera.
A mis queridos padres, quienes con sus esfuerzos y apoyos, me están dando una profesión para realizarme como persona de bien para la sociedad.
Br. Orlando Alfredo Zavala Cerna
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RESUMEN
En este trabajo se evaluó el comportamiento de la velocidad de secado de la pulpa de plátano y de manzanamediante secado indirecto. Los experimentos serealizaron utilizando un secador de gabinete conbomba de calor a nivel de laboratorio. Se utilizó variedad de plátano: tipo seda zona tropical (selva) y variedad de manzana tipo delicia zona tropical (Huaral).Se hicieron mediciones de las variables de interés como, temperatura seca y húmeda a la entrada y salida de los equipos, velocidad del aire y pérdida de humedad, éstas permitieron realizar las curvas de secado, obtener una eficiencia de la operación de secado de pulpa de plátano y pulpa de manzana del 73%, concluir que el secado directo tiene mayor eficiencia pero los costos se incrementan, mientras la deshidratación con bomba de calor son menores. La cinética de secado en ambos sistemas se diferencia en los tiempos de secado.
Palabras claves:Cinética de secado, secador de gabinete con bomba de calor, curvas de secado.
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ABSTRACT
This study evaluated the performance of the drying rate of the pulp of banana and apple using indirect drying. The experiments were performed using a dryer with heat cabinet at laboratory level. Banana variety was used: type silk tropical (jungle) and type apple variety tropical delight (Huaral). Measurements were made of the variables of interest, dry and wet temperature at the inlet and outlet of the equipment, air velocity and humidity loss, these curves allowed for drying, obtaining an efficiency of the drying of pulp banana and apple pulp 73%, concluding that direct drying is more efficient but costs increase, while dehydration heat pump are lower. Drying kinetics in both systems the difference in drying time
Keywords: Kinetics of drying, cabinet dryer with heat pump ,drying curves.
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INDICE
PRESENTACION………..………...i JURADO CALIFICADOR………..………ii DEDICATORIA……….……..iii AGRADECIMIENTO………..………iv RESUMEN………..……….v INDICE GENERAL………..……..………vi INDICE DE FIGURAS………..………....vii INDICE DE TABLAS………..……….….…vii CAPITULO I: INTRODUCCION………..………...01 1.1. ANTECEDENTES……….……01 1.2. JUSTIFICACION………...……02 1.3. DEFINICION DE SECADO……….………….031.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SECADO……….04
1.5. FORMAS DE SECADO……….………..04
1.6. PROPIEDADES DEL ALIMENTO DE IMPORTANCIA…………..………07
1.7. CURVAS DE SECADO………....…………11
1.8. ESTIMACION DEL TIEMPO DE SECADO………..…...…….15
1.9. ¿QUÉ ES UNA BOMBA DE CALOR?...15
1.10. OBJETIVOS……….…………..18
CAPITULO II: MATERIAL Y METODO………..……….…….19
2.1. METODO DIRECTO………...……..19
2.2. METODO INDIRECTO……….…………20
2.3. CARACTERÍSTICAS INICIALES DEL PLÁTANO Y MANZANA………21
2.4. DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN Y CONTROL……….……24
2.5. CALIDAD DE LOS PRODUCTOS………..………..…….24
CAPITULO III: RESULTADOS………..………….……29 CAPITULO IV: DISCUSION DE RESULTADOS……….……38
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CAPITULO V: CONCLUSIONES………..42
CAPITULO VI: RECOMENDACIONES………..…………..44
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……….……….…………45
ANEXOS………...………..47
INDICE DE FIGURAS
Figura 01: relación entre la humedad base seca y base húmeda………….…….08Figura 02: curvas de adsorción y desorción………..……….10
Figura 03: obtención de datos experimentales………..……..………..11
Figura 04: primera curva de secado………...……...………13
Figura 05: segunda curva de secado……….14
Figura 06 A y 06 B ciclos de calefacción y refrigeración……….………..…..16
Figura 07: curvas de secado por contacto directo………31
Figura 08: curvas de secado con bomba de calor………..……….……..35
INDICE DE TABLAS
Tabla 01: comparación de ventajas de un secador con bomba de calor……….17Tabla 02: secado de pulpa de plátano deshidratado….……….……..29
Tabla 03: condiciones de entrada y salida de aire………..…………...……30
Tabla 04: datos experimentales de secado………..33
Tabla 05: resumen del cálculo de los parámetros cinéticos………...34
Tabla 06: características iniciales del plátano………..…….……….34
Tabla 07: características iniciales de la manzana…………...………….….……….35
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CAPITULO I
INTRODUCCION
1.1. ANTECEDENTES
En Europa, desde la primera guerra mundial se ha venido trabajando en los procesos de deshidratación de vegetales por medio de máquinas especiales, Pero durante la Segunda Guerra Mundial estos procedimientos alcanzaron un desarrollo notable. Los procedimientos actuales, muy superiores a todos los usados antes, mantienen el color y la contextura de los alimentos.
En un estudio sobre las repercusiones futuras del aumento del coste del petróleo en las prácticas de producción agrícola, la FAOapunta la conveniencia de restringir el empleo de aquellos procesos que suponen un gasto considerable de energía(08).
En el citado estudio, aquella organización sitúa a la deshidratación artificial en la categoría de este tipo de procesos de elevado consumo energético. Como un eco a esta llamada de atención, las revistas técnicas recogen, cada vez en númeromás grande, trabajos de investigación sobre procesos de secado con aire ambiente (18) y por energía solar (05, 06), de reducido consumo
de energía. La optimización de procesos constituye un primer paso hacia una meta de ahorro energético (09).
Algunos productos deshidratados, ya tradicionales en el mercado, gozan hoy de gran interés comercial, y no es previsible, por ello, pese a las sobradas razones que apoyan los consejos de la FAO, que la producción de aquellos deshidratados de mayor aceptación se vea mermada seriamente en un futuro más o menos próximo. En apoyo de este punto de vista hay que citar (05) que
los sistemas experimentales de secado indirecto poseen todavía una baja capacidad de producción. Entre los deshidratados de interés en el mercado hay que destacar las frutas (plátanos y manzanas); su calidad y valor nutritivo atraer la atención industrial.
En Colombia se ha implementado el uso de secadores de carbón y gas, con el fin de obtener mayor cantidadde grano seco en menor tiempo en el secamiento degranos de café, en el Valle del Cauca y en Caldas sehan
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construido secadores indirectos (secadores con corriente de aire caliente), se han construidocurvas de secado con sus respectivos análisis, perono se han confrontado curvas de secado directo e indirectoque establezca límites de operación entre sistemasde secado, que aprovechando diferentes fuentesde energía tienen el mismo fin de retirar humedad.
En este trabajo se evalúa el comportamiento de la pérdida de humedad en una pulpa de plátano y manzana, las fases y periodosque presente las curvas de secado al utilizar secador con aire caliente y en condiciones constantes y luego se planteael posible límite de operación de acuerdo al comportamientodado por este parámetro.
1.2. JUSTIFICACIÓN
Los productos frutales de temporada como el mango, papaya, piña, plátano y manzana, entre otros, se desperdician en gran cantidad al no comercializarse en el tiempo de temporada de producción o bien se comercializan a muy bajo costo, de ahí que nazca la idea de llevar a cabo una investigación mixta, de campo y documental, a fin de implementar los mecanismos idóneos para el tratamiento de secado con aire caliente, con el objetivo de la comercialización de productos deshidratados, tratando justamente de aprovechar al máximo los productos de temporada y deshidratarlos, pretendiendo con ello evitar los enormes menoscabos patrimoniales que sufre el fruticultor, asegurarle un máximo de aprovechamientos y para el consumidor disminuir los costos, todo ello sin que implique perdida alguna de los de calidad y cualidades nutricionales de las frutas o productos deshidratados.
No es una verdad oculta que son muchos los problemas a los que se enfrenta el productor, por lo que el presente trabajo está enfocado a coadyuvar a remediar algunos de estos, darle valor agregado a su producto, contar con mejores alternativas de comercialización, evitar que por la voracidad de los intermediarios o falta de mercado el productor se vea obligado a desechar sus cultivos, transformar sus productos en deshidratados, le permitirá ganar mayor vida útil en el producto, abatir costos
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de transporte, no escapa a mi óptica el hecho de que al comercializar estos productos, el campesino se verá beneficiado, evitando que abandone sus tierras y por lo tanto su emigración a otro país.
Los productos deshidratados son una alternativa de procesamiento ideal para frutas y verduras por los bajos costos de proceso, lo anterior permitirá ayudar a los productores a aprovechar al máximo sus cultivos, así como brindar una alternativa secundaria para rescatar sus producciones de las inclemencias del tiempo y ser una alternativa a la falta de mercado que algunos productos agrícolas tienen.
1.3. DEFINICION DE SECADO
SECADOEl secado es una operación en la cual se elimina parcial ototalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un líquido.
El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, separte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido.(02)
Aun cuando el objetivo principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones detratamiento o conservación.
Algunos ejemplos: - Cocción
- Almacenamiento a temperatura ambiente - Conservación frigorífica
- Congelación
- Transporte neumático - Molienda
La mayoría de las "leyes" que rigen el secado son también válidas para otros procesos en los cuales se quiere eliminar porevaporación una sustancia volátil de una mezcla.(02)
Por ejemplo
Eliminación del disolvente de extracción de aceite de granos oleaginosos.Sin
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embargo el término secado se emplea solamente cuando la sustancia volátil es agua.En este último ejemplo lo que se desea es recuperar el disolvente antes de disponer de los desechos de la extracción.
1.4.
VENTAJAS Y DEVENTAJAS DE SECADO
a) Ventajas
Básicamente son:
1.- Conservación para prolongar vida del producto
2.- Reducción de peso y volumen para facilitar empaque y transporte 3.- Presentación de alternativas de consumo
Pueden producirse cambios no deseables que afectan tanto la calidad como la aceptación del producto. (06)
b) Desventajas
Se producen cambios y alteraciones no necesariamente deseables en: - La textura
- El sabor - El color
- La calidad nutritiva y la forma
Es una operación que consume mucha energía y eso aumenta el costo del producto terminado.(06)
1.5. FORMAS DE SECADO
(06)a) Secado por ebullición
Cuando la presión de vapor del agua pura es igual a la presión barométrica local, el agua hierve y se evapora.
A una presión absoluta de 101.3 kPa el agua pura hierve a 100 °C.
Cuando se disuelven solutos en el agua, la presión de vapor de la solución resultante es inferior a la del agua pura y por lo tanto supunto de ebullición es superior al del agua pura para una mismapresión barométrica.
La descripción cuantitativa de este fenómeno está dada por la Ley de Raoult “La presión devapor de un componente en una solución es igual a la fracción
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mol de aquél componente por su presión de vaporcuando está puro” Para una solución de un soluto no volátil en agua:
PA = XH2O * pH2O (01)
pA= presión de vapor de la solución
xH2O = fracción mol del disolvente, agua en este caso
pH2O= presión de vapor del agua pura a la temperatura de lasolución.
Si xH2O = 1 - xb La ecuación (01) se escribe:
𝑿
𝒃=
𝑷𝑯𝟐𝑶 𝑶 − 𝑷 𝑨 𝑷𝑯𝟐𝑶 (02)Esta ecuación muestra que:
La disminución relativa de la presión de vapor es igual a la fracción mol del soluto.
La ebullición, esto es, la formación de burbujas de vapor de agua, es más difícil de observar en los sólidos y los materiales pastososque en los líquidos. La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para evaporar el agua está determinada por el calor latente deevaporación.
El aporte calórico puede efectuarse mediante los diferentes mecanismos de transferencia de calor:
Conducción entre una superficie caliente que está en contacto con el alimento
Radiación cuando existe generación interna de calor en el alimento debido a la exposición de éste a rayos infrarrojos,microondas o calentamiento dieléctrico.
Convección entre el alimento y un medio de calentamiento como vapor de agua sobrecalentado o aceite caliente de fritura.
En todos los casos, es necesario llevar el alimento a la temperatura de ebullición del agua.
Esto no siempre es recomendable ya que no todos los alimentos pueden soportar altas temperaturas y éstas pueden ocasionardeterioro físico de los mismos.
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b) Secado por arrastre
En el exterior del alimento
Cuando un alimento húmedo se pone en contacto con una corriente de aire, o de cualquier otro gas, suficientemente caliente y seco, seestablece espontáneamente entre ellos una diferencia detemperatura y una diferencia de presión parcial de agua.
Resultado: Transferencia simultánea de calor y masa entre el gas y el alimento.
La transferencia de calor ocurre desde el aire hacia el alimento ya que la temperatura del alimento es inferior a la del aire.
El mayor contenido de humedad en el alimento hace que la presión parcial de agua en él sea mayor que en el aire.
Resultado: Transferencia de masa desde el alimento hacia el aire.
El aire es a la vez fluido de calentamiento y medio de arrastre del agua evaporada del alimento.
En el interior del alimento
Conforme el alimento pierde humedad se establecen en su interior diferencias de concentración.
Resultado: Transferencia de humedad hacia su superficie. Entonces existen dos mecanismos de transferencia de masa. Convección: Entre la superficie del alimento y la corriente de aire. Difusión: Desde el interior del alimento hacia su superficie.
En el secado por arrastre
La temperatura en la superficie del alimento es inferior a la temperatura de ebullición del agua a 101,3 KPa (100 °C).
Gran ventaja porque
No es necesario calentar el alimento a altas temperaturas para secarlo. Además en el secado por arrastre:
La energía necesaria para la evaporación del agua es proporcionada por el aire caliente.
Por ello se dice que el secado por arrastre es Isoentálpico o adiabático.
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1.6. PROPIEDADES DEL ALIMENTO DE IMPORTANCIA PARA EL SECADO Ya sea que el secado se efectúe por ebullición o por arrastre
La presión de vapor del agua contenida en el alimento es la que determina el intercambio de humedad entre éste y el aire.
Lo mismo ocurre siempre en cualquier situación en la que exista intercambio de agua entre un producto y la atmósfera que lo rodea,como por ejemplo durante su almacenamiento.(02)
a) Humedad, h
Un alimento está constituido por muchos componentes.
Para propósitos de secado se considera que está formado solamente por agua y sólidos secos.
Los sólidos secos incluyen todos los componentes sólidos que componen el alimento (sólidos totales).
Entonces:
𝑯𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅 =
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒍𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐
Formas de expresar la humedadLa humedad puede expresarse en base seca y base húmeda. - Humedad base seca, hbs
𝒉
𝒃𝒔= [
𝒎𝑯𝟐𝑶𝒎𝒔𝒔
] 𝟏𝟎𝟎
(03)Dónde:
mH2O = masa de agua
mss= masa de sólido seco
- Humedad base húmeda, hbh
𝒉
𝒃𝒉= [
𝒎𝑯𝟐𝑶 𝒎𝒔𝒔+𝒎𝑯𝟐𝒐] 𝟏𝟎𝟎
(04) Dónde:𝒎
𝒔𝒔+ 𝒎
𝑯𝟐𝒐= 𝒎
𝒔𝒉Biblioteca
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msh = masa de solido húmedo = masa total del
alimento
- Relación entre hbs y hbh
De (03) y (04) para una misma masa de agua
h
bs> h
bhLa relación entre ambas es
𝒉𝒃𝒔 𝒉𝒃𝒉
= [
𝒎𝑯𝟐𝒐+ 𝒎𝒔𝒔 𝒎𝒔𝒔]
(05) 𝒉𝒃𝒔 𝒉𝒃𝒉= [
𝒉𝒃𝒔 𝟏𝟎𝟎+ 𝟏]
(06) 𝒉𝒃𝒔 𝒉𝒃𝒉=
𝟏𝟎𝟎(𝒉𝒃𝒉) 𝟏𝟎𝟎− 𝒉𝒃𝒉(07)Figura 01: Relación entre la humedad base seca (%) y la humedad base húmeda (%)
b) Humedad de equilibrio, he
La humedad de equilibrio es la humedad que existe cuando la presión de vapor del agua en el alimento está en equilibrio con lapresión parcial del
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vapor de agua en el aire
Si el aire se satura totalmente durante el secado, entonces el equilibrio se establece con la presión de vapor del agua en el aireya que esta presión es igual a la presión parcial del vapor de aguabajo esas condiciones.
La humedad de equilibrio se expresa en base seca. En unidades del SI
kg agua/kg sólido seco (kga/kgss)(02)
Actividad de agua, aw
La actividad de agua en un alimento es el cociente entre la presión de vapor del agua contenida en él y la presión de vapordel agua pura a la misma temperatura.
𝒂
𝒘=
𝑷𝒂𝟏𝑷𝑯𝟐𝒐𝟎 (08)
Otra forma de definir la actividad de agua es la siguiente.
Cuando un alimento se encuentra en equilibrio con una atmósfera de aire, esto es, cuando ha alcanzado su humedad de equilibrio
𝒑
𝒂𝟏= 𝑷
𝑯 𝟐𝒐 𝟎 (09)𝑻
𝒂𝟏= 𝑻
𝑯𝟎𝟐𝒐 Dónde:pal= presión de vapor de agua en el alimento
pH2O= presión de vapor de agua pura
Tal = temperatura del alimento
TH2O = temperatura del aire
𝑯
𝑹=
𝑷𝒂𝟏𝑷𝑯𝟐𝑶𝟎 (10)
Esta no es otra que la definición de aw (ec. 08) Por lo tanto
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La actividad de agua es la humedad relativa de equilibrio de una atmósfera de aire que está en equilibrio con el alimento.
De esta forma el equilibrio entre el aire y el alimento se caracteriza simplemente por:
a
W= H
Ry T
al= T
H2O(11)
Relación entre he y aw: Curvas de sorción
La ecuación (11) permite determinar la actividad de agua de un alimento a través de la determinación de la humedad relativa deuna pequeña cantidad de aire en equilibrio con el alimento.(02)
Así de esta forma es posible obtener valores que al graficarlos como he vs aw tienen la forma mostrada en la Figura 02.
Las curvas en la Fig. 02 son llamadas isotermas de adsorción y de desorción del alimento ya que se obtienen a temperaturaconstante. La forma específica de estas curvas depende del alimento.
Sin embargo en la mayoría de los casos la curva obtenida partiendo Figura 02: Curvas de adsorción y desorción
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del producto húmedo, de-sorción, es diferente de aquélla obtenidapartiendo del producto seco, adsorción.
A este fenómeno se le denomina histéresis.
No obstante, la curva de de-sorción es la que importa en el secado.
1.7. CURVAS DE SECADO
(17)Son curvas construidas a partir de datos experimentales que dan información sobre la velocidad de secado de un alimento bajodeterminadas condiciones. Se obtienen preferiblemente en un equipo que reproduzca lo más fielmente posible el equipo de proceso usando condiciones de aireque se asemejen a las que se usan en el mismo.
La información obtenida de estas curvas es útil para propósitos de 1. Estimar el tamaño del secador
2. Establecer las condiciones de operación
3. Calcular, estimar o aún predecir el tiempo de secado
a) Determinación experimental
La Figura 03, muestra esquemáticamente la forma de obtener los datos experimentales para la construcción de las curvas de secado.
El dispositivo experimental debe ser lo más semejante posible al equipo en donde se efectúa realmente el secado y las condicionesdel aire deben ser constantes.
El experimento consiste en registrar el cambio de la masa del alimento con
Figura 03: Obtención de datos experimentales para la construcción de curvas de secado.
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el tiempo.
Este cambio se debe a la pérdida de agua y está relacionado con la humedad del alimento y las propiedades del aire.
b) Tratamiento de los datos experimentales(11)
Para construir las curvas de secado los datos tabulados tiempo y la masa del alimento húmedo obtenidos experimentalmente setransforman en datos de tiempo y humedad base seca.
Para ello se usa la ecuación siguiente
𝒉
𝒃𝒔(𝒕) =
𝒎(𝒕)− 𝒎𝒔𝒔𝒎𝒔𝒔 (12)
Dónde:
m(t) = masa del alimento húmedo para cada tiempo (kg sh) mss= masa del sólido seco (kg ss)
hbs(t) = humedad base seca al tiempo t (kg agua/ kg ss).
La ec. (12) permite calcular la humedad de equilibrio, he, la cual se utiliza para calcular la humedad libre, hL.
La humedad libre se calcula con la ecuación siguiente
h
L(t) = h
bs(t) - h
e(13)
Dónde:
hL(t) = humedad libre (kga/kgss) para cada tiempo
Una vez obtenida la humedad libre, ésta y el tiempo al representarlos gráficamente producen la primera curva de secado (Fig. 04)
Región AB: Período de calentamiento
La masa del alimento húmedo disminuye sólo un poco debido a la débil contribución del calor sensible a la evaporación de agua.
Región BC: Período de velocidad constante.
En él ocurre buena parte del secado y la pérdida de humedad es directamente proporcional al tiempo.
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Región CD: Primer período de velocidad decreciente. Región DE: Segundo período de velocidad decreciente.
En ambas regiones la humedad del alimento disminuye menos rápido que en la región BC para incrementos de tiempo iguales.
El punto C es el límite entre el período de velocidad constante y el de velocidad decreciente.
La humedad para la cual se aprecia este límite se denomina humedad crítica, hc.
Tanto la humedad libre como la humedad crítica están expresadas en base seca.
Para analizar el proceso de secado se grafica el flux de secado contra la humedad libre.
El “flux” de secado se calcula con la ecuación
𝑹 = −
𝒎𝒔𝒔 𝑨 𝒅𝒉𝑳 𝒅𝒕(14) Dónde: A = área de secado, m2 R = “flux” de secado, kg / h × m2Muchos autores llaman a R la velocidad de secado.
Figura 04: Primera curva de secado
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Esto no es estrictamente correcto porque la velocidad se expresa en kg/h y estas unidades se obtienen al efectuar el producto R × A.
Por lo tanto si el flujo está referido al área de secado, entonces es más correcto llamar a R el “flux” de secado.
Los valores de dhL / dt se obtienen derivando la primera curva de
secado.
Graficando entonces R contra hL se obtiene la segunda curva de
secado.
A, B, C, D y E tienen el mismo significado que en la Figura 04.
La segunda curva permite apreciar de una manera más clara las características de los períodos de secado.
Período BC:
El flux es independiente de la humedad libre, mientras que de C a E hay dos períodos decrecientes.
Existe la posibilidad de que en este período la relación entre R y hLsea
lineal.
1.8. ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE SECADO
(15)Figura 05: Segunda curva de secado.
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A partir de las curvas de secado es posible estimar el tiempo de secado. También es posible hacerlo teóricamente.
a) Predicción experimental
Período de velocidad constante
𝒕
𝒄=
𝒎𝒔𝒔𝑹𝑪𝑨
(𝒉
𝟏− 𝒉
𝟐)
(15) Período de velocidad decreciente
𝒕
𝒅=
𝒎𝒔𝒔 𝑨∫
𝒅𝒉 𝑹𝒅 𝒉𝟐 𝒉𝟏 (16)1.9. ¿QUE ES UNA BOMBA DE CALOR?
(20)Es un aparato capaz de transportar energía en forma de calor desde un ambiente a otro, desde una fuente fría a otra más caliente.
Es un equipo que acondicionadoel aire, que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del local que se ha de calentar, todo este proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un aparato que insufle aire.
Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energía, que es lo mismo que decir, ahorro de dinero, ejemplo: por 1 KW de consumo de la red eléctrica, entrega 3KW de rendimiento en calor; lo cual equivale a decir que consumiendo la misma energía eléctrica, la bomba de calor suministra 3 veces más calor que otro aparato de calefacción eléctrica.
a) ¿Cómo funciona la bomba de calor?
En la naturaleza el calor se transmite de un punto caliente a otro frio, “segunda ley de la termodinámica”. El aparato de calor hace lo contrario, transporta la energía existente, en un punto frio a otro más caliente, esto lo hace mediante el accionamiento de un aparato; este aparato no tiene por función dar calor, sino transportar energía, bombear calor, este es el origen del termino bomba de calor.
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Leyenda:
1.- Compresor
2.- Intercambiador (condensador o evaporador según ciclo) 3.- Válvula de expansión
4.- Intercambiador (condensador o evaporador según ciclo) 5.- Válvula de 4 vías
b) Secadores con “bomba de calor”.
Es la coexistencia de dos sistemas ingenieriles: la bomba de calor y el secador. El desarrollo en la tecnología del secado ha estimulado la necesidad de ahorrar energía, producir alimentos con mejor calidad demandados por el consumidor y minimizar el impacto ambiental.
Un mejor entendimiento del efecto de las condiciones de secado en la calidad del producto y el consumo de energía del equipo ha impulsado el manejo de los secadores con bomba de calor para diversas aplicaciones de secado. El secador con bomba de calor permiten un proceso energético eficiente, proporcionando calor al sistema y recuperándolo a través del funcionamiento interno de la bomba de calor. (20)
Ventajas que ofrecen este tipo de secadores:
- Eficiencias energéticas altas con recuperación de calor, resultando un consumo mínimo/unidad de agua removida.
- Mejor calidad del producto mediante el control de temperatura.
- Amplio rango de secado desde -20 °C a 100 °C (con calentamiento Figura 06 – A: Ciclo de calefacción Figura 06 – B: Ciclo de refrigeración
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auxiliar); humedad relativa desde 15% a 80%. Desventajas que ofrecen estos secadores:
- Uso de clorofluorcarbonados (CFCs) en el ciclo refrigerante, son ambientalmente favorables.
- Requiere mantenimiento regular de los componentes (compresor, filtros de refrigerante, evaporador, etc.) y cambio de refrigerante. - Control de proceso y diseño.
- Temperaturas de secado limitadas.
Estudiosrealizados para mejorarlosprocesosde secado dan como resultados que los secadores con bomba de calor debido a su capacidad de convertirelcalorlatentedecondensaciónen calorsensible es una buena alternativa para lograr el secado adecuado dela mayoría de alimentos.
En la tabla I,sehaceunacomparacióndelas ventajasdeunsecadorconbomba de calor ante otros secadores
Tabla 0I. Comparación de ventajas de un secador con bomba de calor con otros secadores.
Parámetro Secador con aire caliente
Secador con vacío
Secador con bomba de calor Tasa extracción humedad ( Kg agua/KWh) 0.14-1.32 0.72-1.4 1.0-5.0 % Eficiencia de secado 45-50 ≤ 75 85 Temperatura de operación (ºC) 50-80 40-70 15-68
% HR op. Variable Bajo 10-65
Costo Capital Bajo Alto Moderado
Costo de operación Alto Muy Alto Bajo
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La eficiencia energética de una bomba de calor está definida por el coeficiente de funcionamiento (COP) que está dado por:
𝑪𝑶𝑷 =
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒐𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 𝒏𝒆𝒕𝒐 𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒐(17)
Dónde:
Calor absorbido a temperatura baja (calor cedido por condensador) = calor extraído del medio (a través del evaporador) + trabajo suministrado por el compresor.
Elcostodeoperacióndelainstalacióndeunabombadecalorcorrespondeal
costodeenergíaeléctricanecesariaparaquetrabajeel aparato.
Silaunidadtieneun coeficientededesempeño|Qc| W
=4,elcalordisponibleparacalentar|QH|escinco veces el consumo de energía
del compresor. (20)
1.10. OBJETIVOS
a) Objetivo General: El objetivo primordial de este trabajo de investigación con efectos de tesis, es:
Elaborar un proyecto de investigación, que considere y desarrolle de manera clara los estudios: teóricos – prácticos de ingeniería; a fin de poder emitir un dictamen positivo o negativo.
b) Objetivos Específicos:
Instalar un secador eléctrico de frutas y verduras, que sea económico y fácil de usar.
Observar y reportar los cambios obtenidos en las características organolépticas de las frutas.
Aumentar la vida útil de las frutas por medio de la eliminación del agua.
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CAPITULO II
MATERIAL Y METODO
2.1. METODO DIRECTO
Pérdida de humedad de pulpa de plátano y manzanacon secador de contacto directo(horno eléctrico pequeño).
a) Equipos y Materiales de Laboratorio
Equipo de secado (horno eléctrico pequeño), con sus accesorios de control
Variedades de frutas con diferentes cantidades: Plátano y manzana. 2 Termómetros de bulbo, seco y húmedo
Mesa de trabajo Bandejas pequeñas Balanza analítica Cronómetro Cuchillos Guantes esterilizados Guantes de cuero Tenazas b) Metodo Experimental
El procedimiento para operar con secador de contacto directo (horno eléctrico) consiste en:
Desinfectar el área a trabajar, lavando la mesa y los cuchillos con agua clorada. Las frutas fueron lavadas y desinfectadas para luego procede a retirarles las cascaras.
Retirar las cascaras de los plátanos, se realiza solamente con las manos y luego se cortó con un cuchillo en rodajas para darle una mejor presentación. En el caso de las manzanas fue necesario retirar las cascaras con un cuchillo y después cortar las frutas en rodajas de tamaños especiales para garantizar que el deshidratado fuera mejor, ya
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que depende mucho del área de contacto de la fruta con el calor generado en el horno.
Calcular el contenido inicial de agua en el material a secar Identificar y revisar el equipo
Encender el secador eléctrico Fijar la temperatura de secado
Revisar el flujo de aire y accesorios del equipo
Después de que las frutas fueron preparadas, colocarlas rodajas de plátano y manzana sobre las bandejas e introducir en el horno eléctrico; permaneciendo alrededor de 4 horas a una temperatura cercana a los 50ºC
Tomar registro de los diferentes datos y realizarlos respectivos cálculos; así mismo los diferentes cambios organolépticos y de tamaño que sufrieron las frutas.
2.2. METODO INDIRECTO
Pérdida de humedad en las rodajas de plátano y manzanacon el equipo de secado (aire caliente en la cámara)
a) Materiales y equipos
Equipo de calor (generador de aire caliente) Cámara de secado
Bandejas metálicas Tenazas
Guantes esterilizados y de cueros Balanza analítica
Cuchillos
Termómetro de bulbo húmedo y seco
Producto a secar (rodajas de plátano y manzana) b) Metodo Experimental
El procedimiento para operar el aparato de calor fue:
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Se determina el contenido inicial de agua de las rodajas de plátano y manzana mediante método gravimétrico
Se caracterizó el aire para conocer las condiciones iniciales y finales de temperatura y humedadrelativa del aire requerido, con base a datosmeteorológicos de la estación de las zonas de la materia prima. Se cargó las bandejas con 100 gr. de rodajas de plátano y manzana Se utilizó un periodo de secado de 2 a 4 horas
Se usó intervalos de pérdida de peso y de temperatura a la entrada y salida de la cámara entre 10 y90 min
Con los datos obtenidos se elaboraron curvas de contenido de humedad con el tiempo, velocidad desecado con el contenido de humedad y temperaturaal entrada de la bomba de calorcontra el tiempo.
2.3. CARACTERÍSTICAS INICIALES DEL PLÁTANO Y MANZANA.
Determinación de la madurez.Hay distintos métodos para identificar la madurez de un fruto. Entre las medidas físicas están: color de la pulpa o piel, color de la semilla, tamaño, peso y densidad.Una de las medidas químicas que con mayor frecuencia se emplea para determinar el grado de madurez de un fruto es la determinación del contenido en azúcares, la cual se expresa en °Brix, que al relacionarse con la acidez del fruto nos permite conocer el índice de madurez:
𝑰𝒏𝒅𝒊𝒄𝒆 𝒅𝒆 𝒎𝒂𝒅𝒖𝒓𝒆𝒛 (𝑰𝑴) = ° 𝑩𝒓𝒊𝒙
𝒂𝒄𝒊𝒅𝒆𝒛(18)
Determinación de azúcares.
Los azúcares (°Brix), representan los sólidos solubles totales presentes en el fruto y su determinación se hace utilizando un refractómetro, previamente calibrado.
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Para determinar los sólidos solubles del plátano y la manzana, es necesario hacer una solución, para lo cual se pesan 30 gr. de pulpa y se homogenizan con 90 ml de agua destilada durante 2.5 min., utilizando una licuadora. Después se vierten dos o tres gotas en el refractómetro el cual nos da una lectura en °Brix.
Determinación de acidez.
La acidez, indica el contenido en ácidos del fruto. A mayor madurez menor contenido en ácidos.
De la solución preparada para la medición de °Brix, se prepara una nueva solución con 25 ml de agua destilada y 25 ml de la solución de plátano y de manzana.El porcentaje de acidez se determina mediante una titulación ácido-base, con la ayuda de una bureta, fenolftaleína como sustancia indicadora y como titulante hidróxido de sodio (NaOH, 0.1 N). El resultado puede ser expresado en términos de un ácido en particular. Para el caso del plátano y de la manzana el ácido maléico es el que se encuentra en mayor proporción en la fruta y por esta razón la acidez se expresa como porcentaje de ácido maléico:
% 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 𝒎𝒂𝒍𝒆𝒊𝒄𝒐 = (𝒎𝒍 𝑵𝒂𝑶𝑯)(𝑵 𝑵𝒂𝑶𝑯)(𝒎𝒆𝒒.𝒂𝒄.𝒎𝒂𝒍𝒆𝒊𝒄𝒐)
𝑾𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒙 𝟏𝟎𝟎(19)
Dónde:
N: Normalidad
Meq: mili equivalentes (Peso molecular ac. maléico = 67.045 g/mol /1000)
W: peso de la muestra (8.33 gr.) Determinación de humedad.
El contenido de humedad del fruto es el peso de la cantidad de agua presente en él en función de su peso seco. Se determina la humedad que existe en las muestras de plátano y manzanautilizando una balanza.
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El procedimiento es el siguiente:
Se colocan muestras del material seleccionado en la bandeja de la balanza, hasta alcanzar un peso de 3 ó 4 gr. Las rodajas del plátano y de la manzana deben ser muy delgadas entre 0.05-1 mm. Debe procurarse que la operación de cortar las muestras y colocarse en la bandeja de la balanza sea rápida pues desde el momento en que el fruto es despojado de su cáscara y se pone en contacto con el medio ambiente, empieza a perder humedad.
Una vez colocada la muestra en la balanza, se cierra y se inicia la operación para la determinación del contenido de humedad, el cual se muestra en porcentaje de humedad relativa (%HR). Las condiciones a las que se programa la balanza son: 78°C de temperatura por un tiempo de 70 min. El tiempo y la temperatura a la que se opera la balanza son aquellas que en base a la normatividad se asemejan a la operación del horno con vacío para la determinación de contenido de humedad.
Descripción de la Cámara de Secado.
Tiene forma de un cubo geométrico diseñado para que el flujo de aire dentro de él sea uniforme y controlado. El aire se calienta mediante resistencias eléctricas, las cuales trabajan al fijar la temperatura deseada, controlada por medio de un dispositivo, el cual está conectado a un termómetro de bulbo seco. La velocidad de flujo de aire se regula con un variador de frecuencia conectado al motor de un ventilador centrífugo Bomba de Calor.
Con el fin de realizar un proceso de secado bajo condiciones variables de temperatura y velocidad, se adaptó una bomba de calor, la cual se encuentra en la parte inferior dela cámara de secado. Su función consiste en bajar la temperatura del aire de secado en un tiempo determinado al
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mismo tiempo que deshumidifica el ambiente, de manera que se pueda mantener la temperatura y después aumentarla, generando ciclos.
2.4. Dispositivos de medición y control.
Sistemas de medición y registro de datos.La medición de flujo de aire, humedad y temperatura sin ser registrada en el equipo de adquisición de datos se puede realizar medianteun higrómetro, anemómetro, termómetro. El dispositivo permite dos tipos de termopares de sonda J o K conectados simultáneamente. Los termopares están aislados eléctricamente para reducir el error del sistema.Este dispositivo mide la temperatura de bulbo húmedo y entalpía.Los dispositivos de medición de humedad, temperatura y velocidad pueden conectarse de manera rápida y sencilla al dispositivo de medición que muestra las lecturas esperadas. Las características avanzadas incluyen la capacidad para almacenar más de 99 lecturas altas y lectura bajas. Las mediciones de temperatura se leen en un grado de resolución de 10° en grados Celsius y Fahrenheit. Las mediciones de humedad relativa pueden ser de 10-100% con una resolución de 0,1%. Las mediciones de velocidad de aire pueden leerse en pies/min, m/s con una resolución de 1 pies/min (0.01 m/s).
Control de temperatura, humedad y flujo de aire.
Para el control de temperaturas se usan dos controladores PID uno está conectado a la resistencia controlando las variables de temperatura para termómetro de bulbo seco y la otra está conectada al termómetro de bulbo húmedo para establecer los cambios de humedad en la cámara de secado.
2.5. CALIDAD DE LOS PRODUCTOS.
Determinación de humedad.Para determinar la humedad contenida en el producto después del proceso de secado, se realiza el siguiente procedimiento:
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Una caja Petri, preparada previamente a peso constante y enfriada en un desecador, se pesa vacía y se le coloca una cantidad de entre 5 o 10 gr. de producto deshidratado.
Se introduce la caja con muestra en el horno a 70 °C y se aplica vacío (20 in Hg) y se deja por un lapso de 4 horas (AOAC 930,15)
Al terminar la operación, se deja enfriar la caja en un desecador por 3 minutos y después se vuelve a pesar la caja con muestra y se calcula el porcentaje de humedad:
% 𝑪𝑯𝒃𝒉= 𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒐−𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐
𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒐 𝒙 𝟏𝟎𝟎(20)
Determinación de humedad final.
El contenido de humedad final que debe tener una fruta seca está ligado con su capacidad de alargar la vida de almacenamiento, pues de la humedad, que es el contenido de agua por sólido seco, depende la actividad de agua en el alimento. Las frutas deshidratas en el mercado tiene un contenido de humedad de 15 a 25 %. Durante la experimentación, para conocer en qué momento del proceso de secado, el fruto llega a la humedad final deseada, es necesario calcular el peso que el fruto tendrá.
Por medio de una balanza analítica, se determina el contenido de humedad del fruto fresco. El resultado de la balanza está dado en base húmeda, por lo que es necesario convertirlo a base seca:
% 𝑪𝑯
𝒃𝒔=
% 𝑪𝑯𝒃𝒉% 𝒔𝒔 (25)
Dónde:
% CHbs: Contenido de agua (humedad) base seca
% CHbh: Contenido de agua (humedad) base húmeda
% ss: Porcentaje de sólidos secos (100- % CHbh)
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Delamismamanerasecalculaelcontenidodehumedadbasesecaalquesedese a obtenerelproducto. Conelpesodelfrutounavezqueseleha dado el pre tratamientoy el peso de la pulpafresca delplátano y de la manzana (sin pre tratamiento), se determinalacantidad desolucióncon ácidocítrico queabsorbióelfruto.Estacantidaddesoluciónabsorbida, representaun aumentoenelcontenidodehumedaddelfruto fresco,porlocual,alcontenidode humedadenbasesecasesumaelpesodelasolución queabsorbelafrutafrescay con este dato se calcula el peso seco del plátano y de la manzana:
𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐 (𝑷𝑺𝑪) = 𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 𝑪𝑯𝒃𝒔+ 𝟏 (𝟐𝟔) Porúltimo,secalculaelpesofinaldelfrutoparaquecontengaelporcentajede humedad requerido: 𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒂𝒄𝒕𝒖𝒂𝒍 = (𝑪𝑯𝒃𝒔 𝒙 𝑷𝑺𝑪) + 𝑷𝑺𝑪 (𝟐𝟕)
Determinación de la rapidez de secado.
La determinación de la rapidez de secado se hace directamente en la hoja de cálculo de Excel, únicamente se necesita introducir la fórmula.La rapidez de secado está dada por la diferencia en el contenido de humedad base seca en un intervalo de tiempo (gr agua / gr sólido seco* min).Una vez determinado el contenido de sólidos secos en el fruto o bien el peso seco, es posible conocer el contenido de humedad que tiene el fruto que se está secando.
El contenido de humedad se obtiene: 𝒈𝒓. 𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒈𝒓. 𝒔𝒔 =
𝑷𝒆𝒔𝒐 − 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒔𝒆𝒄𝒐𝒔
𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒔𝒆𝒄𝒐𝒔 (𝟐𝟖)
Entonces, la rapidez de secado está dado por:
𝑹𝒂𝒑𝒊𝒅𝒆𝒛 𝒅𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒂𝒅𝒐 = 𝑪𝒐𝒏𝒕𝒆𝒏𝒊𝒅𝒐 𝒅𝒆 𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅 𝒂𝒏𝒕𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓−𝒄𝒐𝒏𝒕𝒆𝒏𝒊𝒅𝒐 𝒅𝒆 𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅 𝒂𝒄𝒕𝒖𝒂𝒍
𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 (29)
La manera en que se puede apreciar mejor como se está desarrollando el secado del fruto es gráficamente. Conociendo el contenido de humedad y
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la rapidez de secado, es posible realizar una gráfica de velocidad de secado, colocando en el eje de las abscisas el contenido de humedad y en el eje de las ordenadas la rapidez de secado.
Variables para las condiciones del aire en el secador: Temperatura promedio: 17 °C.
Presión atmosférica: 760 mm Hg. Humedad relativa: 80%.
Flujo de alimentación: 5 kg/h. Tiempo de residencia: 25 seg.
Largo y ancho de la cámara de secado: 0,80 m Altura total de la cámara de secado: 0,80 m Volumen de la cámara: 0.512 m3
Humedad absoluta: 0.0126 kg H2O/kg aire seco.
Temperatura del bulbo húmedo promedio: 14 °C. Temperatura del aire a la entrada del secador: 130 °C. Temperatura del aire a la salida del secador: 80 °C.
Fracción másica de sólidos en la alimentación: 16% (°Brix) Humedad del producto: ≤ 5%.
AIRE CALIENTE
Condiciones de operación del calentador de aire: Temperatura de entrada: 17 °C
Temperatura de salida: 130 °C Longitud de cada elemento: 0,6 m Área de sección transversal: 0,186 m2
Potencia suministrada por cada elemento: 125 w
PROCESO DE
SECADO
ALIMENTACION PRODUCTO
AIRE CALIENTE Y AGUA EVAPORADA
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Además se dispone de corriente a 240 voltios trifásico y una capacidad de 87,16 kw
Condiciones de operación del Secador: Presión de entrada: 585 mm Hg Presión de salida 760 mm Hg Caída de presión: 175 mm Hg Altura o longitud: 1,5 m Flujo másico: 5 Kg/h Densidad: 1050 Kg/m3 Eficiencia: 65%
Velocidad:0,00208 m/s; área:0,0127 m2; caudal:2,64 x 10-5 m3/s
Perdidas por carga: 0,011 m Trabajo realizado: 105 J/Kg Potencia dada al fluido: 0,095 W Potencia necesaria: 0,1895 W
Consumo de calor específico: 146 Kcal/Kg agua evaporada y 187 Kcal/Kg. Producto seco.
Consumo de energía:80 Kw
CAPITULO III
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RESULTADOS
Tabla 02. Secado de pulpa de plátano y manzana deshidratada, Fecha 15/10/12 Tiempo(min) Peso Plátano
Producto (gr) Peso Manzana Producto (gr) Humedad kgH2O/KgSS Vel. sec kgH2O/m2hr 0 686 795 6,9767 --- 10 670 780 6,7907 0,64 20 658 767 6,6512 0,48 30 640 750 6,4419 0,72 40 629 736 6,3140 0,44 50 615 727 6,1512 0,56 60 605 715 6,0348 0,4 70 592 693 5,8837 0,52 80 581 695 5,7558 0,44 90 574 685 5,6744 0,28 100 562 673 5,5349 0,48 110 545 656 5,3372 0,68 120 532 643 5,1860 0,52 130 510 620 4,9302 0,88 140 493 595 4,7325 0,68 150 476 587 4,5349 0,68 160 464 575 4,3953 0,48 170 454 565 4,2791 0,4 180 438 549 4,0930 0,64 190 413 524 3,8023 0,71 200 395 495 3,5930 0,72 210 380 490 3,4186 0,6 220 371 482 3,3139 0,36 230 359 469 3,1744 0,48 240 348 458 3,0465 0,44 250 337 448 2,9186 0,44 260 328 438 2,8139 0,36
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270 310 420 2,6046 0,72 280 295 395 2,4302 0,6 290 276 387 2,2093 0,76 300 265 375 2,0814 0,44 310 255 365 1,9651 0,4 320 250 360 1,9070 0,2 330 248 358 1,8837 0,08 340 245 356 1,8488 0,06 350 246 357 1,8605 0,04 360 248 359 1,8837 0,081
Tabla 03. Condiciones de entrada y salidadel aire tomadocada 30 min, Fecha 15/10/12 Temperatura entrada de aire Temperatura salida de aire Velocidad aire(m/s) T.B.S.(°C) T.B.H.(°C) T.B.S.(°C) T.B.H.(°C) 1,7 42 40 51 25 1,8 52 68 51 25 1,7 80 36 53 24 1,8 76 35 53 24 1,9 75 35 52 25 1,6 75 35 53 25 1,7 75 35 52 25 1,7 74 36 54 25 1,7 75 34 52 25 1,6 75 35 53 25 1,6 75 35 53 25 1,7 74 35 53 25 1,7 75 34 52 25
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Figura 07a. Curvas de secado por contacto directo
Figura 07b. Curvas de secado por contacto directo
200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 Peso p ro d u cto (gr ) Tiempo (min)
Peso Producto vs Tiempo
Perdida peso del producto 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 0 200 400 Hu m e d ad ( kg agu a/ kgSS ) Tiempo (min)
Humedad vs tiempo
Humedad a traves del tiempo
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Figura 07c. Curvas de secado por contacto directo
Figura 07d. Curvas de secado por contacto directo
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 10,000 30,000 50,000 70,000 90,000 Veloc id ad se cad o ( kg ag u a/ m 2h ) Humedad (kg agua/kgSS)
Velocidad secado vs humedad
Velocidad secado con el contenido humedad 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 100 200 300 400 Veloc id ad se cad o ( kg ag u a/ m 2h r) Tiempo (min)
Velocidad secado vs tiempo
Velocidad secado con el tiempo
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Figura 07e. Curvas de secado por contacto directo
Tabla 04. Datos experimentales de secado de pulpa de plátano y manzana con bomba de calor, Fecha 16/10/12
Tiempo(min) Peso plátano producto (gr) Peso manzana producto (gr) Temperatura Cámara, (°C) Temperatura Ambiente (°C) 0 50,96 71,25 35 19,7 30 50,46 70,78 36 22 60 50,01 70,18 41 22 90 49,41 69,69 45 24,9 120 48,91 69,04 45 24,9 150 48,08 68,35 50 26,1 180 46,96 67,46 55 26,1 210 46,20 66,85 45 27,2 240 45,56 65,23 50 27,2 270 44,86 64,86 49 27,1 300 44,24 63,57 39 27,1 330 43,96 62,86 32 27,6 360 43,48 62,09 39 27,6 390 42,76 61,24 33 27,8 420 42,66 61,18 34 27,8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 Tem p e ratu ra ( ºC) Tiempo (min)
Temperatura vs tiempo
TBS entrada (°C) TBS salida (°C)Biblioteca
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Tabla 05. Resumen del cálculo de los parámetros cinéticos de secado, Fecha 16/10/112
XT (kg) X (kg H2O/kgSS) Xm (kgH2O/kgSS) R (kgH2O/m2h)
4,077 4,000 4,027 3,961 3,975 0,110 3,982 3,907 3,929 0,100 3,922 3,848 3,877 0,134 3,872 3,799 3,823 0,111 3,789 3,717 3,758 0,185 3,677 3,608 3,662 0,249 3,601 3,533 3,570 0,169 3,537 3,470 3,502 0,143 3,467 3,401 3,436 0,156 3,405 3,341 3,371 0,138 3,337 3,313 3,327 0,062 3,329 3,266 3,290 0,107 3,257 3,195 3,231 0,160 3,247 3,186 3,191 0,022
Tabla 06: Características iniciales del plátano, Fecha 15/10/12
Muestras Madurez (IM) ° Brix ACIDEZ W (gr) HF(% bh) ΔE t (min)
1 78,41 18.30 0.2334 65.552899 19.80 5,25 0 2 52,19 16.80 0.3219 63.560792 16.70 5,12 10 3 59,63 14.40 0.2415 59.627329 15.22 4,82 20 4 63,34 15.00 0.2368 57.649123 14.90 4,16 30 5 65,98 15.40 0.2334 55.989717 13.44 4,16 40 6 58.56 13.20 0.2254 48.491571 12.60 4,52 50 7 59,12 13.80 0.2334 45.125964 11.10 4,52 60 8 54,07 14.80 0.2737 41.381074 10.90 4,44 70 9 56,11 14.00 0.2495 40.144289 10.70 4,44 80 10 68,09 13.70 0.2012 37.534791 10.40 4,44 90
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Tabla 07: Características iniciales de la manzana, Fecha 15/10/12
Muestras Madurez (IM) ° Brix ACIDEZ W (gr) HF(% bh) ΔE t (min)
1 65,25 15.30 0.4564 76.663899 18.72 6,45 0 2 50,45 14.70 0.3515 74.670892 17.46 6,32 10 3 42,82 13.40 0.2485 69.638439 16.52 5,74 20 4 54,14 14.00 0.3860 68.759234 15.76 5,27 30 5 55,78 15.00 0.3934 66.989827 14.54 5,27 40 6 46.60 14.20 0.2858 59.592672 13.62 5,63 50 7 42,20 13.80 0.2334 56.236975 12.20 5,62 60 8 44,07 14.80 0.2839 52.482085 11.82 5,66 70 9 45,10 14.00 0.2995 51.254382 11.64 5,88 80 10 58,04 14.90 0.4017 48.645783 11.55 5,66 90
Figura 08a. Curvas de secado de pulpa de plátano con bomba de calor
4,200 4,300 4,400 4,500 4,600 4,700 4,800 4,900 5,000 5,100 5,200 0 200 400 600 Peso d e l p ro d u cto (k g) Tiempo (min)
Peso del producto vs Tiempo
Perdida peso del producto
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Figura 08b. Curvas de secado de pulpa de plátano con bomba de calor
Figura 08c. Curvas de secado de pulpa de plátano con bomba de calor
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 0 100 200 300 400 500 Hu m e d ad ( kg agu a/ kgSS ) Tiempo (min)
Humedad vs Tiempo
Humedad a traves del tiempo 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 2,000 4,000 6,000 Veloc id ad d e se cad o (k g ag u a/ m 2h r) Humedad (kg agua/kgSS)
Velocidad secado vs humedad
Velocidad secado con el contenido de humedad
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Figura 08d. Curvas de secado de pulpa de plátano con bomba de calor
Figura 08e. Curvas de secado de pulpa de plátano con bomba de calor
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 200 400 600 Veloc id ad d e se cad o (k g ag u a/ m 2h r) Tiempo (min)
Velocidad secado vs tiempo
Velocidad de secado con el tiempo 0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 Tem p e ratu ra (° C) Tiempo (min)
Temperatura vs Tiempo
Temperatura camara Temperatura ambienteBiblioteca
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CAPITULO IV
DISCUSION DE RESULTADOS
Método 01: Secado por contacto directo
En latabla 04se reportan los datos de secado de pulpa de plátano y de manzana obtenidos en intervalos de 10 minutos, loscálculos de la humedad en base seca (x), el peso de sólido seco Ls =0,086 Kg determinado por método gravimétrico y el cálculo de la velocidad de secado (R). Tomando un área superficial expuesta de A = 0,15 m². Para los 10 primeros minutos se obtiene:(15)
𝑹 = −𝑳𝑺
𝑨
(𝒙𝟐− 𝒙𝟏)
𝒕𝟐− 𝒕𝟏 = 𝟎, 𝟔𝟒 𝒌𝒈 𝒂𝒈𝒖𝒂/𝒉𝒎
𝟐Ec. 01
En la tabla 05, se reporta las condiciones del aire de entrada y de salida utilizado durante la operación de secado.
Teniendo en cuenta que la masa perdida por la pulpa de plátano y manzana (HPP), es el agua, entonces se puede expresar como:
𝑯𝑷𝑷 = 𝒑𝒊− 𝒑𝒇Ec. 02 Dónde:
Pi = Peso inicial = 0,686Kg
Pf = Peso final de pulpa de plátano y manzana= 0.248 Kg
HPP = Pi - Pf = 0,668Kg – 0,248 Kg = 0,440Kg Agua
(humedad perdida por la pulpa de plátano y manzana) Cálculo de la humedad ganada por el aire:
La velocidad promedio (V) del aire durante el experimento fue: u = 1.7 m/s y el área del flujo para el aire de A = 0.0491 m2, se obtiene el caudal Q = 300,49m3/h., el flujo
másico (M = 230,62 Kg /h) se expresa en función del caudal Q (m3/h) y el volumen
específico húmedo del aire Vh = 1,3030 m3/Kg leído en la carta psicrométrica.(23)
Con base en las condiciones del aire de salida: T = 53y Tw = 25, Se encontró que Y´s = 0,01212 y Y'e = 0,01159 Kg H2O/Kg de aire seco, entonces la humedad
ganada por el aire (HGA) se expresa como:
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de
Ingeniería
HGA = M (Y’s – Y’e) QsEc. 03
HGA = 230,62 (0,01212 – 0,01159) 6 = 0,7734 kg Según el balance de materia la humedad perdida por la pulpa de plátano y manzana debe ser igual a la humedad ganada por el aire; Por lo tanto la ecuación del balance de materia resultante es:
Pi - Pf = M (Y’s – Y’e) QsEc. 04
Comparando los resultados de la humedad ganada por el aire y la humedad perdida por la pulpa de plátano y manzana, se obtiene: HPP = 0,440 Kg y HGA = 0,7734 Kg con un porcentaje de error de: 13.1%
La capacidad dinámica del secador se calculó como:
𝑪𝑫 =
𝑷𝒇𝜽𝒔
=
𝟎,𝟒𝟒𝟎 𝒌𝒈
𝟔𝒉
= 𝟎, 𝟎𝟒𝟕𝟑𝟏 𝒌𝒈 𝒑𝒖𝒍𝒑𝒂 𝒑𝒍𝒂𝒕𝒂𝒏𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐/𝒉𝒓
Ec 05Cálculo de la eficiencia de la operación de secado:
Contenido real de agua del producto = 0,87464 x 0,686 Kg. = 0,600 Kg Agua total evaporada en la operación = (0,686 – 0,246) Kg. = 0,440 Kg.
𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 =
𝟎,𝟔𝟎𝟎𝒌𝒈𝟎,𝟒𝟎𝟎𝒌𝒈x 100 = 73,3%
La Figura 07 muestra las curvas de secado obtenidas para pulpa de plátano y manzana sometida a un secamiento por contacto directo de aire por lo tanto en la figura 07a se muestra la pérdida de peso del producto con el tiempo y la figura 07b muestra la perdida de humedad a través del tiempo, la cual presenta una tendencia muy similar a las curvas típicas, donde la humedad desciende exponencialmente desde 7 kgH2O/KgSS hasta alcanzar la humedad de equilibrio de 2 kgH2O/KgSS.(24)
Se presenta las cuatros fases de secado: en la primera fase ascendente el calor eleva la temperatura de la pulpa de plátano y manzana y del líquido asociado a la pulpa adherida en ella, sin embargo esta primera fase la velocidad de evaporación no es tan rápida como se aprecia en las gráficas. La última fase, segunda constante y tercera fase decreciente se identifican con mayor claridad e indican que la velocidad y la temperatura tienenvalores máximos y constantes y la superficie de la pulpa de plátano y manzana aún permanece húmeda.
