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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

ÍNDICE

1.

Objetivos……………………………….……………..2

2.

Fundamento teórico…………………….…………….2

3.

Equipos y materiales………………….………………5

4.

Procedimiento……………………….………………..6

5.

Datos experimentales……………….………….……..7

6.

Cálculos y resultados……………….………………...7

7.

Conclusiones………………………………………....15

8.

Referencias bibliográficas…………………………...15

9.

Anexos…………………………………………….....16

1

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LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

LABORATORIO Nº3: SECADO SOLAR I.

II.

OBJETIVOS 

Determinar las curvas de secado características



Evaluar las variables de secado solar



Elaborar un modelo matemático

FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1.Secado El secado es una operación unitaria que permite la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material o sustancia, en general. Se entiende por secado la separación de humedad de los sólidos por evaporación en una corriente gaseosa; en consecuencia, en cualquier proceso de secado se ha de tener en cuenta los mecanismos: -

Transferencia de calor. Transferencia de masa.

Es importante resaltar la diferencia entre secado y evaporación. Pues el primero implica, en la mayoría de los casos, la eliminación del agua a temperaturas menores de su punto de ebullición, mientras que la evaporación implica la eliminación del agua a su punto de ebullición. 2.2.Secado solar: Secado solar es una buena alternativa para secado de alimentos. Se lleva a cabo poniendo los productos al aire libre para que les el sol y se sequen naturalmente. 2.2.1. Tipos de circulación El aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del producto. Esta circulación se logra por dos métodos: circulación forzada y por convección natural. a) Circulación forzada: El aire es movido por un ventilador que consume energía mecánica o eléctrica. Este tipo de circulación facilita el diseño en el caso de los equipos de tamaño grande, además de facilitar el control del proceso de secado. Usando este tipo de circulación se pueden obtener velocidades de circulación de aire entre 0.5 y 1.0 m/s. La principal desventaja de la circulación forzada es el hecho de que se debe disponer de una fuente de energía eléctrica para el ventilador, pero esto se puede solventar utilizando un módulo solar que 2

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proporcione el flujo de aire requerido, con lo que es sistema es independiente de la red eléctrica. b) Circulación por convección natural: El aire es movido por las diferencias de temperatura entre las distintas partes del equipo, que promueven la convección térmica del aire. Este tipo de circulación se hace más difícil de incorporar con equipos grandes. Para equipos pequeños o medianos se pueden lograr velocidades de 0.4 a 1.0 m/s al interior de la cámara, pero en equipos grandes esta velocidad no sobrepasa los 0.1 a 0.3 m/s. 2.2.2. Forma de calentamiento solar 2.2.2.1. Secado solar directo (al aire libre) La radiación solar incide directamente por el producto a ser secado, adquiriendo así la energía de evaporación necesaria. Después, la humedad formada en los alrededores del producto es recuperada por el aire tomado del exterior. El material es removido mediante maquinaría específica para favorecer el secado de toda la masa. 2.2.2.2. Secado solar indirecto La radiación solar es captada por un colector por donde circula cierta cantidad de aire (realiza efecto invernadero: deja entrar energía, pero no que salga), este flujo de aire se calienta e ingresa a la cámara de secado en donde se encuentra el producto a ser secado. El aire caliente pasa el producto eliminando el contenido de humedad de la cámara. El sistema colector‐cámara secado puede diseñarse de diferentes formas para integrarse a diferentes equipos de secado solar: 

Indirecto: Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de secado no permite la entrada de la radiación solar (Figura 1).

Figura 1. Sistema colector‐cámara secado indirecto 3

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

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Directo: Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la cámara que contiene el producto también cumple la función de colector recibiendo la radiación solar. En este caso los modelos de secadores pueden ser del tipo invernadero (Figura 2) o túneles.

Figura 2. Secadero solar tipo invernadero.

2.3. Ventajas del secado solar La conservación de alimentos y plantas aromáticas por deshidratación al sol presenta importantes ventajas:   

  

 

Los procedimientos son sencillos, naturales y económicos, ya que no se utilizan equipos costosos ni se requiere energía fósil en su elaboración. Representa una alternativa renovable no contaminante para aprovechar la energía solar en beneficio del medio ambiente. Posibilita la conservación de los alimentos y plantas útiles cuando se producen excedentes, en especial en los picos de cosecha de los cultivos estacionales. Se logra la conservación por largos períodos de tiempo, de cosecha en cosecha, manteniendo disponible los productos todo el año. Facilita la conservación de los alimentos más perecederos que se descomponen rápidamente. Aumenta el valor agregado de la materia prima, sobre todo cuando los productos se producen o adquieren a bajos precios en los picos de las cosechas, lo que actúa proporcionando seguridad alimentaria y regulando el mercado en los períodos de sobreproducción. Permite aprovechar residuos de cosecha de alimentos que por diferentes razones no son aptos para el consumo directo. Diversifica el consumo de alimentos y condimentos al tener disponible gran variedad de productos fuera de la época de su cosecha.

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 



III.

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Disminuye el peso y el volumen de los alimentos frescos, por lo que facilita el almacenaje y la transportación. Resulta una buena opción cuando existen dificultades para la transportación de los productos frescos, en especial cuando los centros de consumo y comercialización están alejados de los lugares de producción. Los procedimientos pueden ser introducidos a cualquier escala de producción: doméstica, en granjas, cooperativas, huertos comunitarios o familiares de pequeña producción.

EQUIPOS Y MATERIALES 

Secador solar



Termómetros



Rejillas y papas en rodajas

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

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Balanza digital

IV. PROCEDIMIENTO 

Prepara el producto, en el caso del laboratorio la papa: seleccionar, pelar, lavar orear y hacer un precocido ésta.



Colocar el producto en la rejilla.



Colocar en el secador solar. Se terminó de instalar el equipo, colocándolo en un lugar apropiado donde este expuesto a las condiciones necesarias para un adecuado secado solar, colocando en su interior termómetros para controlar la T ° de ingreso del aire y la de salida del mismo.



Calibrar la balanza electrónica pesando la tara (bandeja).



Inmediatamente se coloca la bandeja en la cámara de secado, observando las temperaturas de ingreso y salida del aire.



Mantener una temperatura de la cámara a 50ºC.



Luego de transcurrido una hora se observa los cambios en la temperatura y se procede a pesar la muestra para observar la perdida de humedad.



Pesar el producto cada hora, durante 7 horas.

 Dejar el producto en el secador, durante 2 días para así tomar el dato de la papa totalmente seca. 6

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V.

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DATOS EXPERIMENTALES Tabla 1. Datos experimentales tomados en el laboratorio de operaciones unitarias Hora

Temperatura (°C) colector

09:53:00 a.m 9:53 - 10:53 am 10:58 - 11:58 am 12:00 - 1:00 am 1:05 - 2:05 am 2:08 - 3:08 am 3:11 - 4:11 am 4:13 - 5:13 am 5:15 - 6:15 am

29 42 48 47 32 34 28 28 23.8

08:15 a.m.

60°C (estufa)

Temperatura (°C) camara

Peso W (kg) papa+canastilla

27 34.5 32 33 30 30 25 23.5 23

0.370 0.342 0.318 0.304 0.294 0.290 0.288 0.287 0.286

(W sólido seco) W(canastilla) N° RODAJAS

0.286 0.036 0.250 40

Tabla 2. Datos tomados de los cortes hechos a la papa Material Sólido Medida (m) Área Superficial Diametro (m^2) papa 0.06 0.113097

VI.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

1. Determinación de la humedad 𝑋=

W agua 𝑊𝑠𝑜𝑙. ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 − 𝑊𝑠𝑜𝑙. 𝑠𝑒𝑐𝑜 = Wmuestra seca 𝑊𝑠𝑜𝑙. 𝑠𝑒𝑐𝑜

Se tiene que: Datos iniciales: 𝑊𝑐𝑛𝑎𝑠𝑡𝑖𝑙𝑙𝑎 = 0.250𝑘𝑔 𝑊𝑝𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 0.036 𝑘𝑔 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0.084 𝑘𝑔

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Dato en el tiempo 0: 𝑊𝑝𝑎𝑝𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 = 0.120 𝑘𝑔

Entonces la humedad (Kg agua /Kg solido seco) será 𝑋=

0.084 𝐾𝑔 𝐴𝑔𝑢𝑎 0.036 𝐾𝑔 𝑝𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑗𝑎

𝑋 = 2.3333

𝐾𝑔𝐴𝑔𝑢𝑎 𝐾𝑔 𝑝𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑗𝑎

2. Determinación de la velocidad de secado:

Con los datos de peso de agua en la muestra y el tiempo de secado obtenidos, se construye la Grafica 1 con la que se puede obtener una ecuación que permitirá determinar la velocidad de secado. Se halla la ecuación de la recta en el periodo de velocidad constante (0 – 2.0 horas): ∆𝑊 0.068 − 0.120 𝑚= = = −0.026 ∆𝜃 2−0 Tomando a los puntos (2; 0.120) 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 = −0.026 ∗ 𝑡 + 0.172 W [kg.] y t [h] Entonces la velocidad de secado es la derivada de esta ecuación: 𝑑𝑊 𝐾𝑔 − = 0.026 𝑑𝑡 ℎ Y la velocidad de secado por unidad de área del sólido: 𝐾𝑔 0.016 1 𝑑𝑊 ℎ = 0.2648 𝑘𝑔 𝑁=− = 𝐴 𝑑𝑡 0.002827 𝑚2 𝑚2 ℎ Como vemos, esta velocidad se aproxima a la velocidad antecrítica (Na = 0.2476 kg/m2h), calculada y visualizada a la vez en la Grafica 4. 3. Cálculo del Tiempo de Secado: Periodo Ante Crítico: 𝜃𝑎 =

𝑆 (𝑋𝑖 − 𝑋𝑐 ) 𝐴 𝑁 8

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S

=

peso de papa seca =0.036 Kg

A

=

Área de la superficie expuesta de secado = 0.002827 ∗ 40 𝑚2

Xi

=

humedad media inicial de la muestra referida al sólido seco =

1.9444 KgAgua/Kg Sólido Seco Xc

=

humedad critica de la muestra = 1.2222 KgAgua/Kg Sólido Seco

Nc

=

Veloc. De secado = 0.2122 𝑚2 ℎ según la tabla 3.

𝑘𝑔

Reemplazando datos: 𝐾𝑔𝐴𝑔𝑢𝑎 0.038 𝐾𝑔 𝑆𝑆 (1.9444 − 1.2222) 𝐾𝑔𝑆𝑆 𝜃𝑎 = 𝐾𝑔𝐴𝑔𝑢𝑎 0.002827 ∗ 40 𝑚2 0.2122 𝑚2 ℎ 𝜃𝑎 = 1.0835 ℎ Periodo Post Crítico: 𝜃𝑝 =

𝑆 𝑋𝑐 𝑑𝑋 ∫ 𝐴 𝑋𝑓 𝑁

Se grafica Inversa de la Velocidad de Secado vs Humedad, este resultado se puede observar en la Grafica Nº5 Esta grafica se puede aproximar a la siguiente ecuación: 1 = 6.3443𝑥 −0.777 𝑁 El área bajo esta curva delimitada por Xe y Xc representa la integral. Reemplazando: 𝜃𝑝 =

1.2222 0.036 𝐾𝑔 𝑠𝑠 ∫ 6.3443𝑥−0.777 𝑑𝑥 0.002827 ∗ 40 𝑚2 0.0139

𝜃𝑝 = 5.9812 ℎ El tiempo total de secado viene dado por 𝜃𝑇 = 𝜃𝑎 + 𝜃𝑝

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𝜃𝑇 = 1.0833 + 5.9812 = 7.0645 ℎ

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Datos de trabajo con ayuda de la Carta Psicométrica : T_ambiente = 27 °C ===> T_operación = 50 °C ===> T_gas = 60 °C ===> Ys (a la Tbh de opr.) = 0.023 kgAugua/kgAireSeco Y (a la T rocío) = 0.0082 kgAugua/kgAireSeco i_vap = 609.3 a Tbh (27.5 °C) i_liq = 27.51 a Tbh (27.5 °C) λ (Calor latente de vaporizacion a Tbh) = 581.7900

Tabla 4. Determinación del Coeficiente de Transferencia de Masa, Ky Material Sólido N (veloc. Secado) Ky (kgAgua/h*m^2) (kgAireSeco/h*m^2) Trozos de papa 0.2476 16.72973

T_rocío = T_rocío = T_rocío =

18.0 18.0 11.5

kcal/kgAgua (i_vap - i_liq)

°C (Pto. Ref. Carta Pisco.) °C (unir con T operación) °C (A partir del Tbh)

New Pto. Ref ===>

Tbh =

27.5

°C

Donde, i : Entalpía

Tabla 5. Determinación del Flujo Calórico y Coeficiente de Transerencia de Calor Material Sólido N (veloc. Secado) q (Flujo Calórico) hc (kgAgua/h*m^2) (kcal/h*m^2) (kcal/h*°C*m^2) Trozos de papa 0.2476 144.05120 14.4051

Tabla 6. Flujo de gas necesario para la operación de secado Material Sólido hc G (Flujo de Aire) (kcal/h*°C*m^2) (kg/s*m^2) Trozos de papa 14.4051 0.2461 Nota: Para calcular el flujo de aire (G) se toma al material sólido como "rugoso" y con "flujo de gas perpendicular al sólido" (Treybal,1980).

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Tabla 3. Cálculo de N (velocidad de secado) y Humedad referida al solido seco (Xm) Tiempo (θ) minutos

horas

Peso W (kg)

Humedad

X

Valor Medio

N(veloc.sec)

Solido

total

(kgAgua/kgss)

(Xm)

(kg/h*m^2)

(kg)

N-1 (m^2*h/kg)

Periodo Antecrítico (θa, h)

(kgAgua/kgss)

0

0.00

0.120

0.084

2.3333

60

1.00

0.092

0.056

1.5556

1.9444

0.2476

4.0392

120

2.00

0.068

0.032

0.8889

1.2222

0.2122

4.7124

180

3.00

0.054

0.018

0.5000

0.6944

0.1238

8.0784

Periodo Poscrítico

240

4.00

0.044

0.008

0.2222

0.3611

0.0884

11.3097

(θp, h)

300

5.00

0.040

0.004

0.1111

0.1667

0.0354

28.2743

360

6.00

0.038

0.002

0.0556

0.0833

0.0177

56.5487

420

7.00

0.037

0.001

0.0278

0.0417

0.0088

113.0973

480

8.00

0.036

0.000

0.0000

0.0139

0.0088

113.0973

Tiempo total de secado 12

1.0833

5.9812

7.0645

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4. Curvas características de secado

Gráfica Nº1: Peso solido W(Kg) vs. Tiempo(θ) 0.14 0.12

W solido (kg)

0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

7.00

8.00

Tiempo (θ)

Gráfica Nº2: X vs. Tiempo (θ) 2.00 1.80 1.60 1.40

X

1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Tiempo (θ) 13

6.00

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VII. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos se pueden indicar las siguientes conclusiones: 

Con elevados contenidos de humedad, las fuerzas de adsorción de la estructura celular del material sobre las moléculas de agua, son menores que cuando el contenido de humedad del producto es más bajo. En consecuencia, se utiliza un mayor porcentaje de energía disponible para evaporar la humedad contenida en las papas más secas.



La evaluación de las variables de transferencia de masa y calor se obtuvieron satisfactoriamente por tener la curva característica de secado antecrítico (N vs X), en la cual se aprecia notoriamente la velocidad antecrítica, estos coeficientes son aceptados porque el grosor y área superficial de la rodaja de papa es pequeña, por lo tanto, al contacto perpendicular del aire con la papa, esta absorberá el calor del aire seco y transferirá a la vez una pequeña pero considerable transferencia de masa.



El flujo de aire es aceptable, porque como se trabajó con un secador solar de laboratorio y con una entrada de colector pequeña, el cual no era de mucha ayuda ya que el aire cambiaba de dirección constantemente, por lo que el flujo de entrada del aire es variable y pequeño.



El conocimiento las isotermas de las curvas de secado características de adsorción de alimentos es de gran importancia para el desarrollo en la industria alimenticia, ya que brindan información útil para la optimización del proceso de secado y el diseño de secaderos, la selección del material de empaquetamiento, la predicción de la vida útil del producto y de la evolución en el contenido de humedad durante el almacenamiento.

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA Treybal, R.E. (1980) Operaciones de transferencia de masa Ed. Mc. Graw-Hill. Geankoplis, Ch. J, “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”, CECSA 2da. Ed., Mexico 1995.

Ocon J. y Tojo G. (1986). Problemas de ingeniería química. Editorial Aguilar.

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IX.

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ANEXOS

9.1. Anexo A1. Carta Psicométrica (Ocon & Tojo, 1986)

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9.2.Anexo A2. Propiedades termodinámicas del vapor de agua saturado (Ocon & Tojo, 1986)

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