Objeto:
Realizar un balance de materia y energía en un secadero.
Esta
práctica servirá como herramienta de entrenamiento para los estudiantes
de ingeniería. Las experiencias de secado que aquí se presentan son
para niveles diferentes de temperatura y velocidad del aire.
Siguiendo las experiencias de secado propuestas, serás capaz de:
1- familiarizarte con un secadero de bandejas y con el proceso de secado
que en él se lleva a cabo.
2- determinar los perfiles de temperatura, contenido de agua y velocidad
de secado de productos diferentes.
3- analizar la velocidad de pérdida de humedad del producto como una
función de su contenido de agua X para determinar si (a) existe un período
de velocidad de secado constante y (b) si el período de velocidad
descendente puede ser dividido en dos o más regiones con mecanismos de
transferencia de materia aparentemente diferentes.
4- ver el fenómeno de reducción de volumen que ocurre en algunos
productos durante el proceso de secado.
Material: Secadero de bandejas, materiales
a ensayar, psicrómetro de aspiración, anemómetro, balanza digital, termohigrómetro
digital, diagrama psicrométrico y tablas de vapor de agua.
Los secaderos de bandeja son secaderos de pequeña
escala usados en laboratorios y plantas piloto para experimentar sobre
secado de diversos materiales.
Las condiciones experimentales pueden ser variadas
para permitir la demostración de los aspectos teóricos y prácticos de
la operación de secado a escala industrial. El aire es
introducido a la cámara con un ventilador de flujo axial, situado en uno
de los extremos del túnel. La velocidad del aire a través del
secadero es ajustada regulando la velocidad del ventilador. Un banco de
resistencias eléctricas se encuentra situado corriente arriba del
compartimiento de secado permitiendo elevar la temperatura del aire
variando la potencia de las mismas. El compartimiento de secado tiene
aproximadamente 0.04 m3 de capacidad y es equipado con una
puerta de acceso transparente. Una serie de bandejas, con una capacidad de
almacenamiento de sólido de 8 kg aproximadamente, se encuentra ubicada
dentro de la cámara. El túnel, corriente arriba y corriente abajo del
compartimiento de secado, ha sido diseñado para producir un flujo de aire
uniforme sobre las bandejas.
Fundamento
teórico
El secado es un fenómeno complejo que
involucra la transferencia de calor y materia (el transporte de calor
hacia dentro del material y el transporte de agua hacia el exterior).
Existen muchos mecanismos posibles
de secado, pero aquellos que controlan el secado de una partícula
dependen de su estructura y de los parámetros de secado-condiciones de
secado (temperatura T, velocidad v y humedad relativa del aire), contenido
de humedad, dimensiones, superficie expuesta a la velocidad de
transferencia, y contenido de humedad de equilibrio de la partícula.
Durante el secado con aire bajo condiciones ambientales constantes, la
curva de secado puede ser dividida en los siguientes cuatro períodos de
velocidad de secado (Fig. 1):
Figura
1. Representación esquemática de los períodos de la velocidad de
secado.
(X:
contenido de humedad; Nw: velocidad de secado; T: temperatura)
I- Período Inicial:
la evaporación ocurre como desde una superficie libre y, usualmente, la
temperatura incrementa desde su valor inicial (To) hasta la temperatura de
bulbo húmedo del aire (Twb). En algunos casos, cuando la temperatura del
producto es mayor que la correspondiente temperatura de bulbo húmedo del
aire, el producto disminuye su temperatura. Este período inicial dura
pocos minutos. (Xo: contenido de humedad inicial).
II- Período de
velocidad constante (Nwc): durante este período el secado aún se
lleva a cabo por evaporación de la humedad desde una superficie saturada
(evaporación desde una superficie libre) y el material permanece a Twb.
La mayoría de los productos alimenticios no exhiben un período de
velocidad de secado constante.
III- Primer período de
velocidad descendiente: El contenido de humedad al final del período
de velocidad constante es el contenido de humedad crítico (Xcr).
En este punto la superficie del sólido ya no se encuentra saturada de
agua, y la velocidad de secado disminuye con el decrecimiento en el
contenido de humedad y el incremento en la temperatura. En el punto final
de este período, el film de humedad superficial se ha evaporado
completamente y, con el posterior decrecimiento en el contenido de
humedad, la velocidad de secado es controlada por la velocidad de
movimiento de la humedad dentro del sólido.
IV- Segundo período de
velocidad descendente: Este período representa las condiciones
correspondientes a una velocidad de secado totalmente independiente de las
condiciones externas. La transferencia de humedad puede ocurrir por una
combinación de difusión de líquido, movimiento capilar, y difusión de
vapor. La temperatura del producto se acerca a la temperatura de bulbo
seco (Tg) y el contenido de humedad se aproxima asintóticamente al valor
de equilibrio (Xe).
Los mecanismos I y II siguen la ley
de transferencia de calor y masa para un objeto totalmente húmedo. Los
mecanismos III y IV siguen la segunda ley de difusión de Fick, pero
usando diferentes condiciones de borde: para el mecanismo III es la
igualdad de flujos de transferencia de masa en la superficie, y para el
mecanismo IV, la igualdad del contenido de agua al valor de equilibrio Xe.
Método operativo
Se utiliza un secadero de bandejas para procesar
productos con diferentes características de secado.
Antes de las experiencias, el
material es preparado, y son fijadas las
condiciones iniciales del aire (velocidad, temperatura y humedad).
Luego, se carga el producto sobre
bandejas dentro de la cámara de secado permitiendo que el aire pase sobre
él en flujo turbulento. Durante las experiencias, se llevan a cabo
mediciones de la temperatura del
producto, su peso y humedad y temperatura del aire.
Finalmente, el material debe ser
colocado en una estufa de vacío para conocer su peso seco final.
Trabajo de gabinete:
Difiere según la asignatura de referencia. Se
pueden obtener las curvas características de secado y de velocidad de
secado, realizar el balance de materia y energía, y analizar el proceso
por medio del balance psicrométrico. También se puede calcular el flujo
de calor recibido por el aire entre las secciones 2 y 3 del secadero y la
humedad absorbida por el aire en la zona de bandejas 3-4.
Otra capacidad experimental consiste en obtener el
coeficiente de convección en la superficie de secado:
Suponiendo la expresión h = k G0'8 en
W/m2 ºC, se trata de hallar k experimentalmente.
siendo  expresado
en kg/h m2
El secadero deberá estar funcionando en condiciones
estables
Se remite
al alumno al guión de prácticas
correspondiente.
Analizar los resultados obtenidos y
realizar el informe de la práctica según las
normas
generales de elaboración de informes de laboratorio.
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