Tema6

Escuela de Ingenierías Agrarias

Termodinámica y Termotecnia

TEMA 6: FUNDAMENTOS DE SECADO 1. Concepto de secado. 2. Contenido de humedad. 3. Balances de materia y energía. 4. Velocidad y tiempo de secado.

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Obje Objetivo tivos s espe específi cíficos cos::

- Conocer el concepto concepto de seca secado y entender su util utilidad. dad. - Conocer de qué factores factores depende el secado. - Saber expr expresa esar el conteni contenido do de humedadde un producto producto en baseseca y base húmeda. - Conocer y sabe saberr inte interpreta rpretar las lascurvas deequi equillibrio brio dehumedad edad. - Establece blecer y aplicar el bal balance demateria ri a en el el proceso desecado. cado. - Conocer y apl apliicar el el bal balance de energí energía a en prim primera aproxi roximación. ación. - Calcul alcular ar el rendim rendimiento térmi térmico co del proceso de de secado. - Conocer y saber ber interpreta rpretar las curvas desecad secado. o. - Apli plicación cación del concepto concepto develoci velocida dad constan constante de secado. cado. - Cálcul álculo o del tiem tiempo desecado aveloci velocida dad constante. - Cálcul álculo o del tiem tiempo de secado a vel velocida ocidad d constante constantemente decrecien creciente. te.

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Bibliografía recomendada:

- Earle rle; “Ing “I nge enie niería ría de de los los alimentos”. ntos”. Ca Cap. 7 - Singh Si ngh y Heldm Heldma an; “Introdu “I ntroducci cción ón ala ingenierí niería a de alim ali mentos”. entos”. Cap Cap.. 12.

A. Mulero


Fundamentos de secado

1. Concepto de secado.

- Concept o Entendemos por “secado” la disminución de la humedad de un sólido húmedo mediante un procedimiento térmico. A veces el concepto de secado se extiende a la eliminación de agua mediante procedimientos mecánicos (prensado, filtrado, centrifugado, etc.), sin embargo en este caso es preferible denominar al proceso como deshidratación de alimentos.

- Ut i l i dades El secado de los alimentos es uno de los métodos más antiguos utilizados para su conservación, ya que al reducirse el contenido deaguaen un alimento: - Se reduce la posibilidad de su deterioro biológico, y se reducen otros mecanismos de deterioro. - Se reduce su peso y volumen, aumentando la eficacia de los procesos de transporte y almacenaje (sopas deshidratadas, lecheen polvo, etc.). - Puede conseguirse un alimento más apto para el consumo (jamón serrano, chorizo, pimientos para pimentón, etc.). El proceso desecado puede ser deliberado, como en los casos anteriores, o no. Por ejemplo, en la cocción o en el tueste del pan, la hogaza se seca por la aplicación de calor. A veces el secado se produce en casos en los que no se desea, por ejemplo, en la maduración del queso o en la carne refrigerada.

- Fact or es que i nt er vi enen En el proceso de secado intervienen una gran cantidad de factores que hay que tener en cuenta. Por ejemplo, no debe dañarse la estructura de los productos, influyendo negativamente sobre la calidad de los mismos. Otras veces será necesario que el producto seco se pueda rehidratar hasta un producto que tenga prácticamente la misma calidad que el original (sopas deshidratadas, lecheen polvo, etc.). Nos centraremos aquí en los aspectos termodinámicos del proceso de secado. Es decir, consideraremos que el secado es un proceso de transferencia simultánea de materia (agua) y de energía (calor), sin tener en cuenta los factores biotecnológicos, bromatológicos, nutritivos, etc. Tampoco se tendrá en cuenta los procesos o mecanismos que tienen lugar en el producto (que serán estudiados en otras asignaturas). Por tanto, desde nuestro punto de vista, en el proceso de secado intervendrán: a) Una transmisión de calor que proporcione el calor latente de vaporización necesario para eliminar el agua. b) Una transmisión deaguadesdeel alimento hacia el exterior. Ambos procesos se realizan simultáneamente, influyendo uno sobre el otro. La velocidad a la que se produce el secado, así como el tiempo necesario para ello, dependerán de estas transferencias y serán estudiados en el apartado 4.

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- Ti pos de secado. Aunque existen otros métodos (liofilización, secado a vacío), nos centraremos en el secado por contacto con aire. El alimento se encuentra en presencia del aire atmosférico (a la presión atmosférica) y se le transmite calor mediante una corriente de aire caliente o bien mediante el contacto con una superficie caliente. El agua se extrae en forma de vapor junto con el aire. Este mecanismo es el más sencillo y es muy utilizado en la práctica, por ello será el que consideraremos en este tema. El conocimiento de las ecuaciones y diagramas psicrométricos será especialmenteútil en éstecaso. Para realizar estos procesos se utilizan una gran variedad de instalaciones de secado o secaderos (de túnel, de bandejas o armario, etc.). En estetema, sin embargo, no consideraremos las particularidades de cada instalación.

2. Contenido de humedad.

Antes de comenzar con el estudio de los balances de materia y energía en el proceso de secado, resulta conveniente definir y conocer algunos términos que permiten expresar la cantidad de agua que contiene el sólido a secar, así como la cantidad de agua que es necesario eliminar para secarlo. Al igual que en el caso del aire húmedo, consideraremos que el sólido húmedo está formado por una parte completamenteseca(sólido seco) más una cierta cantidad de agua. Contenido de humedad en basehúmeda, es la cantidad deagua quecontiene el sólido referido al sólido húmedo (sólido seco +agua). W= mw/(mw +ms) kg deagua/ kg sólido

(x100 = % )

Esteserá el quese utilice salvo quese indiqueotra cosa. Contenido de humedad en base seca, es la cantidad de agua referidaal sólido seco: Ws = mw/ms

kg de agua/kg sólido seco

(x100 = % )

donde hay que tener en cuenta que este porcentaje puede ser mayor del 100% en el caso de que el producto contenga más aguaque parte sólida. Resulta muy sencillo relacionar un contenido con el otro: W =Ws/(Ws+1)

Ws =W/(1-W)

- Humedad en equi l i br i o. Cuando una sustancia se expone al aire (no saturado) comenzará a evaporarse o condensarse agua en él hasta que las presiones parciales del vapor contenido en el aire y del líquido contenido en el sólido se igualen. Entonces el sólido y el aire estarán en equilibrio, llamándose humedad en equilibrio, We, al contenido de agua en base seca que tiene el sólido en ese momento y siempre que no cambien las circunstancias externas (temperatura o humedad principalmente). Para una temperatura dada, la humedad en equilibrio del sólido dependerá, por tanto, de la humedad relativa que tenga el aire. Al representar gráficamente HR frente a We (o vicerversa) se obtiene unacurva de equilibrio, que será distinta para cada sustancia y para cada temperatura. 3



Las siguientes figuras muestran las curvas de equilibrio para diversas sustancias. Su interpretación es la siguiente. Por ejemplo, en el caso de la madera expuesta al aire con humedad del 60% (punto A), la curva de equilibrio nos indica que contendrá aproximadamente 115 g de agua/kg sólido seco. La máxima humedad de equilibrio se obtendrá para aire saturado (punto B), y será de 0´3 kg agua/kg sólido seco. Si queremos secar la madera hasta que contenga 0´05 kg agua/kg sólido seco (punto C), tendremos que exponerla a una corriente de aire que tenga una humedad relativa del 22´5 % aproximadamente. Una vez que se alcance el equilibrio sería imposible seguir secando la madera aunque mantuviésemos la corriente de aire durante más tiempo. Por otra parte, si después de seca, la madera entra en contacto con aire que tenga una humedad superior al 22´5 %, ésta volverá a recuperar parte del agua que ha perdido. Finalmente, hay que tener en cuenta que, aunque en principio si se utilizase aire completamente seco (origen de coordenadas del diagrama) se podría eliminar toda la humedad del sólido, en la práctica puede existir cierta cantidad de agua que se encuentre ligada u ocluida dentro del material y que sea prácticamente imposible de evaporar.

La curva de equilibrio cambia con la temperatura. Existen tablas (Tabla 3.1) en las quese obtiene la humedad de equilibrio de un sólido cuando se encuentra en contacto con aire a distintas temperaturas y humedades relativas.

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3. Balances de materia y energía.

- Bal ance de mat er i a. En el proceso de secado sesuponeque todo el aguaque sale del producto pasa al aire, entonces debe cumplirse: Disminución deagua enel producto =Aumento de agua en el aire mw = ms ∆Ws =ma ∆ X Siendo mw la cantidad de agua, ms la masade producto seco, ma la masade aire seco, ∆Ws la humedad perdida por el producto en baseseca y ∆X la humedad ganadapor cadakg de aire seco. En esta ecuación también pueden utilizarse caudales en lugar de masas. - Bal ance de ener gí a. Para establecer el balance deenergía hay que realizar una serie desuposiciones: - Suponemos que, en principio y siempre que no existan pérdidas de energía, la temperatura del termómetro húmedo permanece constante durante el proceso de secado. Esto significa que la variación de entalpía específica será muy pequeña y positiva, pero no exactamente cero (como sería si el proceso fueseestrictamente isoentálpico). - La mayor parte de la energía que aporta el aire se emplea en la evaporación del agua contenida en el sólido. Esto quiere decir, que se suponeque el producto a secar se mantiene siempre, o al menos cuando la velocidad de secado es constante, a la temperatura del termómetro húmedo del aire, Th. En estas condiciones debe cumplirse el siguiente balance deenergía: ma(∆h*2 - ∆h*1) ≈ ms ∆Ws cw(Th) Th donde (∆h*2 - ∆h*1) es la variación de entalpía específica que sufre el aire, ( ms ∆Ws ) =mw es el agua evaporadadel sólido e incorporada al aire, y cw(Th) es el calor específico del agua líquida a la temperatura del termómetro húmedo. Resolviendo el sistema de ecuaciones formado por el balance de materia y por el de energía, encontramos, por ejemplo: * Cantidad de sólido seco y la humedad de aire que sale, sabiendo la cantidad de aire seco que entra. * Cantidad de aire necesario y cantidad de producto seco sabiendo la humedad del aire que sale. Estos cálculos se simplifican mucho si se utiliza el diagrama psicrométrico, en el que el proceso de secado sigue la línea de Th constante, siendo sumamente sencillo encontrar todos los términos del balance de energía una vez que se conoce el balance de masas. Así, si se utiliza el diagrama psicrométrico, y se obtiene el calor específico del agua mediante una tabla, no es 5



necesario resolver el sistema de ecuaciones, y el balance de energía se utiliza solamente para comprobar si se cumple (al menos aproximadamente) la suposición de que el sólido a secar no cambia su temperatura durante el secado y que ésta es precisamente Th . Teniendo en cuenta las condiciones anteriores, puede definirse un RENDIMIENTO TERMICO del proceso de secado, como el cociente (en %) entre el calor necesario para la vaporización del agua contenida en el producto a una temperatura aproximadamente igual a la del termómetro húmedo, y la entalpía del aire al comienzo del proceso desecado. Rt

=

mw L v ( Th ) ma∆h1*

Este rendimiento nos indica que porcentaje de la energía inicial del aire se ha empleado en eliminar el agua, y suele situarse en torno al 40%-60%. 4. Velocidad y tiempo de secado.

Aparte de los balances demateria y energía, otros parámetros involucrados en el secado serán la velocidad a la que éste se producey, dependiendo de ella, el tiempo quetardará en realizarse el proceso. •

Vel oci dad de secado.

Entendemos por velocidad de secado a la cantidad de agua que se consigue eliminar por •

•

•

unidadde tiempo: mw = ma ∆X = ms ∆W s En muchas ocasiones esta velocidad es unavelocidad específica, referida a la unidad de masa desólido seco ó referidaa la superficie de producto: •

mw V = ms

=

∆Ws

kg agua/(s kg sólido seco)

t •

VA

m = w A

•

=

ms

∆Ws

A

kg agua/(s m2)

La velocidad de secado vendrá determinada por multitud de factores, siendo el más importante la transmisión de calor, por convección, entre el aire y el producto que se está secando. Si conocemos el coeficiente de convección, h (W m-2 ºC-1), es posible calcular la velocidad de secado suponiendo que el producto permanece a temperatura constante Th, de la siguiente forma: •

•

Q =Q/t =hA ∆ T = mw L v(Th)

donde ∆ T es la diferencia de temperaturas entre el aire que entra y el producto a secar.

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La relación es más sencilla si queremos calcular la velocidad por unidad de área: VA =h ∆ T/ L v(Th)

La velocidad de secado no es la misma durante todo el proceso, es decir, que la eliminación de agua se realiza en una serie de etapas en las que la velocidad de secado es diferente. La representación gráfica de la velocidad desecado frente a la humedad del producto o frente al tiempo se denominan “curvas de secado”, y serán diferentes según sea el tipo de producto a deshidratar. Generalmente la forma de las curvas es complicada y deben obtenerse experimentalmente. Desde el punto de vista teórico pueden realizarse algunos cálculos aproximados en alguna delas etapas anteriormente mencionadas. En la figura se representa una posible curva de secado. El producto se encuentra inicialmente en el punto A. La etapa inicial de secado (AB) ocurre según el producto y el agua se van calentando lentamente. Posteriormente se produce una gran disminución del contenido de agua manteniéndose la velocidad constante (BC). Esta etapa finaliza cuando se alcanza la llamada humedad crítica Wc, fácilmente identificable en las curvas de secado por el cambio brusco de la misma. Finalmente la velocidad empieza a decrecer (CD), pudiendo existir uno o varios periodos de velocidad decreciente.

Desde el punto de vista teórico, y con el fin de calcular el tiempo de secado, consideraremos únicamente los periodos de velocidad constante, donde la humedad en baseseca disminuye desde W0 hasta Wc, y de velocidad constantemente decreciente, donde la humedad en baseseca disminuye desdeWc hasta W1. Ti empo de secado. - A vel oci dad const ant e,

•

•

V c

(por unidad de masa desólido seco):

tc =ms (W0 – Wc)/ mw =(W0 – Wc)/

V c

- A vel oci dad const ant ement e decr eci ent e: td =(Wc/

V c) ln (Wc/W1)

donde, en ambos casos, las humedades W están expresadas en base seca, y ln indica logaritmo neperiano.

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