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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.5 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000500008 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°5-2005, págs.: 43-48

OPERACIONES UNITARIAS

Análisis del Efecto de Variables de Diseño en el Comportamiento de una Secadora de Granos de Amaranto

Analysis of the Effect of Design Variables on the Performance of an Amaranth Grain Dryer

A. I. Lema, M. I. Pontin, J. A. Adaro y J. R. Barral
Universidad Nacional de Río Cuarto, Facultad de Ingeniería, Grupo de Energía Solar,
Ruta Nacional 36, Km. 601, (5800) Río Cuarto, Córdoba-Argentina (e-mail: mpontin@ing.unrc.edu.ar)


Resumen

En este trabajo se estudia la incidencia de tres variables fundamentales en el desempeño de una secadora rotativa para amaranto: el tiempo de residencia del grano dentro del equipo, la temperatura, y el caudal de aire utilizados. Estas variables inciden directamente sobre el tiempo de secado y la humedad final del producto. Para determinar el desempeño de la secadora se utilizó como parámetro la velocidad de evaporación del agua. Se realizó primeramente un diseño estadístico de las experiencias, las que luego se implementaron en una secadora rotativa experimental construida en el Instituto de Física de Rosario. Los datos obtenidos fueron analizados utilizando técnicas de análisis de varianza. El estudio reflejó que tanto el tiempo de residencia como la temperatura del aire tienen gran incidencia en el funcionamiento de la secadora rotativa. Así, un diseño de alta eficiencia puede conseguirse optimizando estos dos parámetros.


Abstract

This work studies the effects of three fundamental variables related to the performance of a rotary amaranth dryer, including the residence time of the grain in the dryer, the temperature, and the flow rate of air used. These variables directly affect the drying time and moisture content of the final product. The evaporation rate of water from the grain was used to estimate the performance of the dryer. First, a statistical design of the experiments was prepared, with the experiments then carried out using an experimental rotary dryer built at the Rosario Physics Institute. The data obtained were statistically evaluated using analysis of variance. The study showed that both the residence time and the air temperature had a strong influence on the performance of the rotary dryer. A high efficiency design for this process can thus be obtained by optimizing these two parameters.

Keywords: rotary dryer, amaranth grain, seed drying, experimental design, design variables


INTRODUCCION

El secado es un proceso de gran importancia en la producción de alimentos cuyo propósito es reducir el contenido de humedad a los fines de lograr largos períodos de almacenamiento. El uso de una secadora, como alternativa al secado por exposición al sol, permite controlar las condiciones de higiene y la calidad nutricional del producto.

Se eligió el grano de amaranto (Amarantus cruentus) como producto a secar por las excelentes perspectivas que ofrece este cultivo como materia prima alimenticia. Posee proteínas de alta calidad biológica, esto es lisina y la mayoría de los aminoácidos esenciales,  contiene también vitaminas A, B1 y C, elevados tenores de minerales como calcio, fósforo, magnesio e hierro (Tosi y Re, 2003). Presenta importantes contenidos de escualeno y esteroles totales. Además por su bajo contenido en gluten es apto para celíacos. Las propiedades mencionadas permiten considerar a este cultivo como interesante y de potenciales aplicaciones.

En cuanto a la operación de secado, el secado de granos en silos (Cortés et al., 1989), no sería adaptable a granos de amaranto, ya que por su pequeño tamaño forma una masa compacta que en reposo solo podría ser atravesada por elevados caudales de aire y los equipos necesarios resultarían antieconómicos. Por otro lado, las experiencias más recientes de secado de amaranto se remiten a un sistema de lecho fluidizado (Tosi et al. 1999) que no resulta económico ni práctico si se pretende adaptarlo a un secado a campo.

El desarrollo de un método eficiente de secado, es un aspecto importante para posibilitar la difusión del cultivo de amaranto en una amplia zona de Argentina. La elección de una secadora rotativa, a pesar que su aplicación en el secado de granos no está muy difundida, fue promovida por tratarse en este caso de un secado a baja escala y por el pequeño tamaño del grano, lo cual le confiere una buena capacidad para fluir y un grado uniforme de secado (Cassinera et al. 1996).

El tiempo de residencia dentro del equipo, la temperatura y caudal másico del aire de secado, son condiciones de operación que afectan la operación de secado (Pelegrina et al, 2001). El objetivo del presente trabajo fue determinar cuáles de estas variables de proceso intervienen significativamente en el comportamiento de una secadora rotativa para el grano de amaranto.

MATERIALES Y MÉTODOS

El prototipo experimental utilizado para el secado de los granos, fue construido en el Instituto de Física de Rosario (Lara et al. 1994), y consta básicamente de una secadora rotativa, y un horno calefactor eléctrico. La secadora rotativa fue reacondicionada de acuerdo a lo sugerido en un trabajo anterior (Lema et al. 2002), en el cual se recomendaba  introducir mejoras en la aislación térmica de la secadora y reducir las fugas de aire a la entrada del cilindro, de modo de disminuir las pérdidas calóricas. Se debe destacar que una fuente calefactora de origen eléctrico no presenta conveniencias económicas frente a muchas otras posibilidades, pero determinó su elección la fácil regulación de la temperatura por este medio, condición necesaria para la realización de las experiencias.

Descripción de la secadora rotativa

El grano húmedo se introduce a través de una tolva en una cámara cilíndrica, construida  con caño de PVC de 30 cm de diámetro y 3 m de largo. La cámara, levemente inclinada, gira sobre cuatro rulemanes, por medio de un motor eléctrico y un reductor que admite dos velocidades. Este sistema permite regular el flujo de granos variando la inclinación del cilindro y/o las revoluciones (4 o 7 rpm). El cilindro posee en su interior un sistema de aletas longitudinales que elevan el grano y lo liberan, en cada vuelta, produciendo una cascada continua en contacto con el aire, tal como se muestra en la figura 1.

Fig. 1: Sección transversal de la secadora rotativa

El producto húmedo se introduce por el extremo más sobreelevado del cilindro y el producto seco descarga por un rebosadero dispuesto en el extremo más bajo. El aire fluye en contracorriente respecto a la dirección del movimiento de los sólidos, sin riesgos de sobrecalentamiento para el grano, ya que el secado se hace a bajas temperaturas. Esta operación puede observarse en la figura 2.

Fig. 2: Sección longitudinal de la secadora

 Sistema de calefacción

El elemento calefactor consiste en un tubo calefaccionado por resistencias eléctricas (1200 vatios) de aproximadamente 1 metro de longitud, térmicamente aislado del exterior por fibrocemento. Un regulador electrónico permite variar la corriente en las resistencias, regulando de este modo la temperatura de salida del aire. El aire es impulsado a través del horno por medio de un ventilador que toma aire del ambiente y está conectado a un autotransformador, que al variar la tensión de alimentación, hace posible modificar el caudal de aire para los distintos ensayos.

Diseño de las experiencias

El sistema de secado, constituido por la secadora y el horno calefactor, permite variar el caudal de aire, la inclinación del cilindro, la velocidad de alimentación, la temperatura del aire de secado y las revoluciones del motor. La selección de una combinación de inclinación y velocidad de rotación del cilindro determina el tiempo de residencia del grano dentro del equipo (Cao y Langrish, 1999). Se seleccionaron dos de estas combinaciones, determinándose dos tiempos de residencias, tal como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1: Selección de tiempos de residencia

Inclinación del cilindro (º)

Velocidad de rotación  (rpm)

Tiempo de residencia (min)

1.592

4

34.9

2.866

7

12.2

Para cada tiempo de residencia, se variaron las condiciones del aire en cuanto a temperatura y caudal, eligiéndose niveles específicos de acuerdo a intervalos de interés, es decir, región de influencia de estos factores sobre la humedad del grano saliente. Se trabajó con dos caudales de aire 2.75 m3/ min (G1) y 2.45 m3/min (G0); y con dos temperaturas 55°C (T1) y 40°C (T0) y la velocidad de alimentación del grano se fijó en aproximadamente 120 g/min. De este modo, se realizó un estudio completo de las tres variables de proceso: caudal de aire de secado, temperatura del mismo y tiempo de residencia del grano. Se seleccionó como variable de respuesta el caudal de agua evaporada, el cual refleja en forma directa la eficiencia del proceso de secado.

Las experiencias se realizaron de acuerdo a un diseño factorial 23 completamente aleatorizado y con una réplica. Se realizaron ocho experiencias con grano limpio cuyas características se muestra en la tabla 2.

Tabla 2: Diseño de las experiencias de secado (1. Nivel alto  – 0. Nivel bajo).

Número de experiencia

1

2

3

4

5

6

7

8

Tiempo de residencia

θ0

θ0

θ0

θ0

θ1

θ1

θ1

θ1

Temperatura del aire (ºC)

T0

T0

T1

T1

T0

T0

T1

T1

Caudal de aire (m3/s)

G0

G1

G0

G1

G0

G1

G0

G1

En cada una de las experiencias vinculadas al tiempo de residencia menor se secaron cerca de 12500 gramos de granos de amaranto, mientras que en las experiencias de mayor tiempo de residencia se utilizaron 21000 gramos aproximadamente. Para asegurar el estado estacionario se dispuso que las experiencias vinculadas al mayor tiempo de residencia tuvieran una duración de 175 minutos y las restantes 105 minutos.

En la figura 3 se indican los distintos puntos del proceso donde se registraron valores de temperatura y humedad del aire como así también del grano.

Fig. 3: Puntos de recolección de datos de proceso

La determinación de humedad se realizó por triplicado. Se tomaron muestras, de 3 gramos aproximadamente, cada 10 minutos y se secaron en estufa a 90°C, durante 24 hs. Las muestras fueron previamente molidas hasta lograr los requerimientos establecidos en la norma IRAM 15 850-1. Bajo estas condiciones de trabajo, al cabo de 20 hs, las muestras alcanzaban peso constante.

Se utilizó un termoanemómetro marca ALNOR Compuflow Model 8575, el cual provee distintos tipos de medidas, temperatura, humedad relativa y velocidad del aire, dependiendo del tipo de sensor que se le incorpore. Para medir la velocidad del aire a la entrada del motoventilador se utilizó un medidor de flujo de paletas. La temperatura del aire en los distintos puntos del proceso, fue registrada en forma automática mediante un termómetro marca Digi-Sense que utiliza termocuplas tipo T. La temperatura del grano a la salida por problemas de carga estática se midió en forma manual con termómetros de mercurio.

Balance de materia

El balance de materia en la secadora, viene dado por:

(1)

Siendo F (Kg. de sólido húmedo /min.), el flujo másico, X (Kg. de agua /Kg. de sólido húmedo) el contenido de humedad en base húmeda y W (Kg. de agua /min.) la cantidad de agua transferida desde el grano al aire. Los subíndices están referidos a la figura 3.

Análisis de datos

Se realizó una prueba de diagnóstico sobre las mediciones obtenidas a los fines de determinar los efectos relevantes. De acuerdo a esta prueba los datos fueron analizados realizando un análisis de varianza ANOVA (a un nivel de significación del 1%). Ambos análisis fueron realizados utilizando un programa estadístico.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos recogidos en cada una de las experiencias se presentan en la Tabla 3. En referencia a la cámara de secado, se muestran para el aire de secado valores de humedades relativas y temperaturas a la entrada (Tee) y a la salida (Tss). Con relación al grano, valores medios de las humedades iniciales (xe) y finales (xs) en base seca y las temperaturas a la entrada (Tge) y a la salida (Tgs).

Tabla 3: Resultados obtenidos en las experiencias realizadas

Número de experiencia

Te (ºC)

Ts (ºC)

φe

φs

Tge
(ºC)

Tgs
(ºC)

Xe
(%)

Xs
(%)

Agua evaporada
(g/min)

1

56.0

28.0

  4.8

55.0

13.0

42.0

19.22

13.48

6.89

2

54.0

29.0

  6.2

55.0

  9.0

40.0

19.50

13.42

6.57

3

40.8

20.5

10.0

64.0

11.0

29.0

17.76

13.80

4.67

4

40.8

24.0

12.0

59.0

  9.0

31.0

19.50

15.30

4.54

5

56.0

30.3

  4.5

40.5

  9.0

40.5

18.92

13.92

5.53

6

55.5

30.5

  4.4

39.5

10.0

39.5

18.92

14.10

5.48

7

40.2

26.5

11.7

45.0

11.0

32.5

19.48

15.50

4.09

8

40.0

25.5

10.2

46.0

13.5

32.5

19.22

16.24

3.53

Con los datos presentados en la Tabla 3, se construyó una gráfica de distribución normal de los efectos, la cual reveló que de las tres variables consideradas en este estudio, solo la temperatura del aire y el tiempo de residencia son efectos importantes, no así la velocidad del aire que mostró tener una incidencia despreciable sobre la cantidad de agua evaporada. La gráfica no evidenció interacción entre ellos.

A partir de los resultados obtenidos de la estimación de los efectos se analizó la variabilidad de los datos, considerando solo los efectos principales y la interacción significativa entre la temperatura del aire y el tiempo de residencia. Las demás interacciones se despreciaron y se combinaron sus cuadrados medios para estimar el error. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 4. El análisis de varianza reveló en esencia la misma conclusión que la de la gráfica de distribución normal. Solamente la temperatura del aire y el tiempo de residencia mostraron tener un efecto significativo en la variabilidad de los datos sin mostrar interacción entre ellos.

La no significación de la velocidad del aire permitió transformar al diseño 23 no replicado en uno 22 con dos réplicas (Montgomery, 1999).

Un análisis de varianza para este nuevo diseño reveló esencialmente los mismos resultados que los mostrados en la tabla 4. La temperatura del aire y el tiempo de residencia explicarían cerca del 98% (r2 = 0.98) de la variabilidad en los datos del agua evaporada obtenidos durante la operación de secado en el equipo.

En figuras 4 y 5 se representan los datos de la tabla 3. Observándose con mayor claridad los resultados arrojados por el análisis de varianza.  La cercanía  entre las líneas indican que variaciones en el caudal de aire tienen poco efecto sobre el caudal de agua evaporada, sin embargo, un aumento en la temperatura del aire tiene un efecto positivo sobre  la  cantidad de  agua  evaporada, como así también lo tiene el tiempo de residencia.

Tabla 4: Análisis de varianza. (a significativo al nivel 1%).

Fuente de variación

Suma de cuadrados

Grados de libertad

Media de cuadrados

F

Prob>F

Caudal de aire

0.14045

1

0.14045

5.45

0.1016

Temperatura del aire

7.29620

1

7.29620

283.35

0.0005a

Tiempo de residencia

2.04020

1

2.04020

79.23

0.003a

Temp. del aire* Tiempo de residencia

0.09245

1

0.09245

3.59

0.1544

Error

0.07725

3

0.02575

Total

9.64655

7


Fig. 4: Agua evaporada para nivel bajo de tiempos de residencia


Fig. 5: Agua evaporada para nivel alto de tiempos de residencia

CONCLUSIONES

El sistema demostró una excelente regularidad en su funcionamiento, debido a que las variables medidas durante cada experiencia no presentaron fluctuaciones durante la operación y se logró en todos los casos obtener condiciones de estado estacionario.

Podemos concluir que el comportamiento de la secadora rotativa se ve favorecida con el aumento de los tiempos de residencias y la utilización de temperaturas tan altas como el proceso lo permita, sin embargo, el punto óptimo de trabajo de la secadora quedará determinado a partir de un análisis económico que contemple el costo de la energía utilizada tanto en calentar el aire como así también en mover el cilindro. Por otra parte, como el caudal de aire no es una variable relevante en el funcionamiento del equipo, será suficiente trabajar con el mínimo caudal que sea capaz de vencer las pérdidas de carga dentro del equipo.

Por último, cabe aclarar que las conclusiones obtenidas son válidas para el rango de variabilidad de los parámetros analizados.

REFERENCIAS

Cao, W. y T. Langrish, “Comparison of residence time models for cascading rotary dryers”, Drying Technology, 17 (4-5), 825-836 (1999).        [ Links ]

Cassinera, A., M. Lara, R. Abalone y U Hernández, “Ensayos preliminares de secado solar de Amaranto”, Taller Iberoamericano de Amaranto, Rosario-Argentina, (1996).        [ Links ]

Cortés, R., M. Lara, R. Gaspar y R. Piacentini, “Evaluación final del secado solar en silos de capacidad intermedia”. Actas del 3° Congreso Iberoamericano de Energía Solar, Cartagena, Colombia, (1989).        [ Links ]

Lara M. , A. Cassinera y U. Hernández, “Secado de grano de Amaranto mediante energía solar”, Actas del Congreso Internacional de Ingeniería Rural y III Congreso Argentino de Ingeniería Rural, Morón, Buenos Aires, Argentina, (1994).        [ Links ]

Lema A., A. Briantz, A. Cassinera, J. Adaro y M. Lara, “Evaluación del comportamiento de una secadora para Amaranto con aprovechamiento térmico de la energía solar”, XIV Congreso Brasilero de Ingeniería Química  - COBEQ 2002, Natal, Brasil, (2002).        [ Links ]

Montgomery D. “Diseño y análisis de experimentos”, 241-284, ed. 1991, Grupo Editorial Iberoamérica, México D. F., México (1999).        [ Links ]

Pelegrina, A., M. Elustondo y M. Urbicain, “Setting the operating conditions of a vegetables rotary drier by the response surface method”, Journal of Food Engineering, (54) 59-62 (2002)        [ Links ]

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