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Secador de flujos cruzados

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El secador de flujos cruzados es el que más se usa en el mundo, gracias a su popularidad en los Estados Unidos. Dicha popularidad se deriva de los principlos simples de su construcción y funcionamiento, Junto con el costo Inicial más moderado, en comparación con otros tipos de secadores (Figura 16).

Los secadores de flujos cruzados se caracterizan por el paso del aire perpendicular a una capa de granos, que se mueven entre planchas perforadas. Esos secadores pueden tener diversas configuraciones y la forma comercial más común es el secador de tipo torre, fijo a una fundación permanente (Figura 17).

La torre puede ser circular, con la capa de granos rodeando el quemador y el ventilador, o bien rectangular, con columnas de granos en dos o en los cuatro costados. En la Figura 18 se presentan esquemas de estos tipos de secadores.

Figura 18. Esquemas de secadores de flujos cruzados de tipo torre.

El secador del tipo de torre rectangular también puede presentar varias columnas dispuestas unas al lado de otras. En la Figura 19 se presenta otro esquema de secador de flujos cruzados, Junto con el tipo de torre rectangular de varias columnas.

Figura 19. Esquema de secadores de flujos cruzados.

Algunos secadores de flujos cruzados son de construcción horizontal, con las columnas de granos colocadas a los dos lados de la cámara de distribución de aire. Se les puede usar como secadores de partidas, de etapas múltiples, o como secadores continuos. Los secadores de flujos cruzados horizontales se pueden montar unos sobre otros, cuando se quiere secar una mayor candidat de granos. Los módulos pueden funcionar a la misma temperatura o a temperaturas diferentes. Algunos médulas intermedios pueden servir de zonas de reposo, para lo cual basta con desconectar la fuente de movimiento del aire. El módulo de base se usa, generalmente, como enfriador. Se ve un esquema de este tipo de secador, en la Figura 20.

Figura 20. Esquema de un secador de flujos cruzados de construcción horizontal de varias etapas.

En el secador de flujos cruzados convencional, aire y granos se mueven en direcciones perpendiculares. Los granos próximos a la entrada de aire tienden a resecarse y recalentarse; los que quedan cerca de la salida, en la columna, tienden a quedar húmedos. La diferencia de humedad a través de una columna de 0,30 m. puede alcanzar puntos porcentuales de humedad elevados, dependiendo de los parámetros de secado.

La optimización de desempeño de un secador de flujos cruzados se puede obtener mediante el manejo adecuado de los parámetros del secador: altura, profundidad y espesor o ancho de la columna, flujo de masa, temperatura y velocidad del aire (BAUER et al., 1978). La profundidad del secador influye solamente en su capacidad total, siempre que haya simetría, en esa dimensión, en cuanto a la temperatura y humedad de los granos. La altura de la columna y el flujo del producto determinan el tiempo de residencia de los granos dentro del secador. Así, en el proceso de optimización del secador de flujos cruzados hay cuatro parámetros principales que investigar: espesor de la columna, tiempo de residencia, flujo de aire y temperatura de secado.

Se han hecho algunas tentativas de reducir las diferencias de temperatura y humedad, pero sin influir significativamente en la capacidad y eficiencia del secador. Se investigaron, inicialmente, los efectos de invertir el sentido del flujo de aire en la mitad de la zona de secado. Aun cuando este cambio en el secador convencional dio como resultado una leve disminución en la eficiencia y capacidad del secador, se observó una reducción del 60 a 75 por ciento en la diferencia de humedad a través de la columna (CONVERSE, 1972; LEREW, et al., 1982; PAULSEN y THOMPSON, 1973; MOREY y CLOUD, 1973).

La recirculación de parte del aire del escape es un adelanto en los secadores de flujos cruzados. Generalmente se recircula cerca del 50 por ciento del aire total, en el secado de maíz. Por recirculacion se entiende la reutilizacion total o parcial del aire de escape en el secado, pasándolo o no por una fuente de calentamiento. En los secadores que funcionan con esta técnica, el aire saturado proveniente de la primera etapa de secado sale al ambiente. El aire que sale de las etapas siguientes de secado se mezcla con el aire que pasa por la zona de enfriamiento y se dirige a la fuente de calentamiento, para usarse nuevamente. En la Figura 21 se presenta un esquema de secador de flujos cruzados modificado, con inversión del flujo de aire y recirculacion de parte del aire de escape. El principal beneficio de la recirculacion de una parte del aire está en el aumento de la eficiencia térmica del secado. Así, pues, se ha observado en un secador modificado, una reducción del 50 por ciento en el consumo de energía por unidad de agua evaporada (LEREW et al., 1972). Otras Investigaciones señalaron una economía del orden de 30 a 42 por ciento, cuando recircula cerca del 50 por ciento del aire de escape (BAKKERARKEMA et al., 1972 y 1979; BAUER et al., 1977).

Figura 21. Diagrama de un secador de flujos cruzados con inversión y recirculacion de aire (BROOKER et al., 1977).

La inversión de sentido del flujo de aire no es posible en ciertos secadores de flujos cruzados, porque las columnas de granos están situadas alrededor de la fuente de calor. En tales secadores se hace uso de un dispositivo que alterna la posición de los granos respecto del aire de secado; los granos más húmedos pasan hacia el interior del secador y los más secos pasan a la parte externa. En la Figura 22 se presente un esquema de este dispositivo.

Figura 22. Esquema del dispositivo para alternar la posición de los granos en las columnas de los secadores de flujos cruzados.

La utilización de zonas de reposo es recomendable en los secadores de flujos cruzados. En esas etapas, la humedad se redistribuye al interior de los granos, lo que facilita su evaporación en la etapa de secado siguiente. Con la introducción de zonas de reposo en un secador de flujos cruzados para secar soya, de 20,5 a 12,1%, se previó una reducción de alrededor de 40 por ciento en el consumo de energía especifica (DALPASQUAL E, 1981). Aun así, los efectos del uso de zonas de descanso en los secadores de flujos cruzados no se conocen del todo, por lo que deberán ser objeto de investigaciones futuras. Un esquema de secador de flujos cruzados, con inversión del sentido del flujo de aire de escape y etapas de descanso, aparece en la Figura 23.

Figura 23. Diagrama de un secador de flujos cruzados coa inversión y recirculacion de parte del aire de secado y coa zonas de descanso (DALPASQUALE, 1981).

Secador de fluíos paralelos

El secado de granos en flujos paralelos es una técnica que apareció en el comercio en los años setenta, aunque sus principios se conocían desde los años cincuenta. La introducción en el mercado de los secadores de flujos paralelos se retrasó a causa del bajo costo de la energía en la época de su desarrollo, además de la disponibilidad de secadores de construcción más barata. Con el advenimiento de la crisis energética mundial, a partir de 1973 la demanda de secadores de flujos paralelos aumentó notablemente en los paises desarrollados. La razón de su popularidad es la elevada eficiencia energética característica de dichos secadores. En un secador de flujos paralelos, aire y granos fluyen en la misma dirección. Hay altas tasas de evaporación en la parte superior de la capa de granos, donde el aire caliente se encuentra con los granos más húmedos. Los intercambios intensos y simultáneos de energía y masa a la entrada de aire o de granos, causan un rápido descenso de la temperatura inicial del aire de secado, as' como en el contenido de humedad de los granos. Por este motivo, la temperatura del producto permanece muy por debajo de la temperatura inicial del aire de secado. Dichas temperaturas alcanzan valores muy próximos, a medida que el aire y el producto se mueven hacia abajo por el secador. En consecuencia, el potencial de secado disminuye, en virtud de la reducción de temperatura del aire y del aumento de su humedad relativa, con el consiguiente aumento de la humedad de equilibrio del producto. En la Figura 24 se ve un esquema de un secador de flujos paralelos.

En el secador de flujos paralelos todos los granos se someten al mismo tratamiento de secado. En consecuencia, no hay diferencia de humedad entre los granos, como sucede con los secadores de flujos cruzados. La reducción continua de la temperatura del aire, hasta la parte inferior de la cámara de secado, alivia la tensión impuesta a los granos durante el secado y disminuye la tendencia a los daños mecánicos durante el transporte posterior.

El secador básico de flujos paralelos se compone solamente de una sección de secado y una sección de enfriamiento en flujos contrarios. Los modelos de una sola etapa, que tienen una sección de secado únicamente, son de capacidad limitada, si se trata de eliminar más de ocho puntos de humedad. En tales casos, los secadores paralelos de una etapa someten al producto a un tratamiento de secado relativamente severo, por las bajas velocidades del producto dentro del secador.

Figura 24. Esquema de secador de flujos paralelos.

Se han construido secadores de flujos paralelos de dos y tres etapas. El aumento en el número de etapas permite el uso de temperaturas más elevadas del aire de secado, además de subir la velocidad del producto dentro del secador. Otra característica importante de este tipo de secador es la presencia de etapas de reposo, colocadas entre dos cámaras sucesivas de secado. En estas etapas de reposo, la humedad se redistribuye al interior de los granos calentados y la tensión térmica disminuye aún más. Algunos estudios de simulación matemática del secado senalaron la conveniencia de agregar una zona de descanso entre la última cámara de secado y la de enfriamiento, para acrecentar la evaporación de humedad en esta última cámara. Para no elevar demasiado la altura del secador, se propuso reducir la altura de las zonas de reposo entre cámaras de secado, en favor de la etapa de reposo instalada antes del enfriamiento. Quedó en claro también que, si se trata de secadores de etapas múltiples, los granos se deben someter a períodos de reposo más prolongados, a medida que pasan por las sucesivas cámaras de secado, lo que Indica la necesidad de contar con zonas de descanso de diferentes alturas en el secador de flujos paralelos y etapas múltiples (DALPASQUALE, 1981; QUEIROZ, 1984). En la Figura 25 se puede ver un esquema de un secador de flujos paralelos de tres etapas.

Figura 25. Esquema de secador de flujos paralelos de tres etapas, con enfriador en flujos contrarios.

Se ha observado que el uso de secadores de flujos paralelos y etapas múltiples aumenta la capacidad de secado del sistema, además de propiciar la obtención de un producto final de mejor calidad (BAKKER-ARKEMA et al., 1977). En los secadores de dos y tres etapas se observan las siguientes ventajas respecto de los de una sala etapa: a) mayor capacidad de secado; b) mejor calidad del producto final; c) mayor flexibilidad de adaptación a diferentes productos; y d) mayor eficiencia (WESTELAKEN y BAKKER-ARKEMA, 1978; MUHLBAUER et al., 1978).

Se nao usado varios productos para probar los secadores de flujos paralelos. Los estudios sobre secado de maíz con alto contenido de humedad, en secador de flujos paralelos, señalaron que el aire de secado a 220 °C no afectó significativamente el valor nutritivo del maíz. Se supone que a temperaturas superiores se podría evitar el daño térmico con el uso de una proporción adecuada entre los flujos de granos y los de aire (MUHLBAUER et al., 1971). En experiencias realizadas con trigo se llegó a resultados parecidos (AHMADNIA, 1977; BAKKERARKEMA et al., 1977).

Se secaron semillas de soya en modelos de secador de flujos paralelos, de una sola etapa y de etapas múltiples. En ninguno de los casos se observaron alteraciones significativas en la extracción y calidad del aceite, ni en el poder germinativa delas semillas, (KALCHIK, 1977; DALPASQUALE, 1979).

Secador de fluíos contracorrientes

Los principios del secado en flujos contracorrientes se emplean en la industria para dimensionar los enfriadores de los secadores de flujos contrarios.

El enfriador de flujos contracorrientes se usa en los secadores paralelos, porque el método evita los choques térmicos indeseables en los granos, puesto que la diferencia de temperatura entre el aire y el producto permanece prácticamente constante en toda la cámara de enfriamiento.

El secado en silos se puede considerar secado en flujos contrarios, cuando se utiliza un tornillo sin fin que gira lentamente sobre el fondo perforado y retira los granos parcialmente secos, los que pasan a otro silo. La zona de secado permanece prácticamente estacionaria y próxima a la entrada del aire de secado en la masa de granos. El enfriamiento posterior de los granos se efectúa en otro silo, donde se termina el secado. En la Figura 26 hay un esquema de dicho sistema de secado.

Figura 26. Secado en flujos contrarios, en silos.

El secado de granos en silos provistos de este tipo de mecanismo representa un adelanto en relación con el secado de partidas en silos y presenta las siguientes características:

a) no hay pérdida de energía en el secado de granos con humedad inferior a la deseada, puesto que no se permite que el producto llegue a la humedad de equilibrio;
b) los granos están sujetos a temperaturas elevadas mientras pierden humedad a una tasa razonable. Con esto se evita que el producto alcance la temperatura del aire de secado. Comparado con el sistema de secado en partidas, en silos, el tiempo de exposición de los granos a las condiciones del aire de secado es menor; y
c) como el producto no se reseca, los daños mecánicos debidos al transporte posterior se reducen.

Dicho sistema de secado en flujos contrarios presenta ciertos problemas, entre ellos la carga adicional que deben soportar las paredes del silo debido a los equipos que mueven los granos.

 

C. Secadores intermitentes

Los secadores continuos ya descritos se pueden usar como secadores intermitentes. Para ello, basta que el producto, al salir del secador, vuelva a entrar a él, ya que estos secadores no retiran la humedad deseada del producto en una sola pasada y exigen que aquél pase más de una vez por el secador.

Hay secadores hechos para el secado intermitente, los cuales poseen en su parte superior una cámara de reposo para los granos. En estos secadores, los granos permanecen en la cámara de reposo cerca de 90% del tiempo total y solamente el 10% en contacto con el aire de secado. El propósito de la permanencia más prolongada en la cámara de reposo es que haya redistribución de humedad en los granos, lo que facilita el secado posterior. Al mismo tiempo, debido al breve periodo en que los granos quedan expuestos al aire de secado, la eliminación de humedad de los granos en cada pasada por la cámara de secado es pequeña y exige un elevado númedo de pasadas. En la Figura 27 aparece el esquema de un secador intermitente de flujos cruzados.

El uso de secadores en canal es muy común en paises de América Latina; muchas veces se les ocupa como secadores intermitentes y sencillamente se hace pasar el producto varias veces por el secador. Es imponente destacar que, en tales casos, la capacidad nominal del secador disminuye proporcionalmente con el número de pasadas del producto por el secador y es preciso tenerlo presente al dimensionar sistemas de secado/almacenamiento que emplean dicha técnica.

Ciertos productos agrícolas no soportan el secado continuo hasta alcanzar el contenido de humedad final que se busca, sin sufrir considerables daños físicos y fisiológicos. Es el caso de las semillas en general, del arroz y de los productos que se cosechan con humedad muy elevada. Estos productos se deben secar de manera intermitente.

Figura 27. Esquema de un secador intermitente de flujos cruzados.

Cuando el producto no está destinado a semilla, con excepción del arroz, la temperatura del aire de secado intermitente es la misma que se usa en los procesos continuos.

El secado intermitente no se realiza solamente en secadores adaptados para ello, pues los secadores de etapas múltiples también ocupan esa técnica. Estos últimos se componen de diversas cámaras de secado intercaladas con cámaras de reposo. i-De este modo, los granos entran al secador húmedos y salen secos, en una única pasada, con lo que el secador funciona en flujo continuo. El producto, en cambio, se somete a secado en cada cámara y el secado es, por tanto, intermitente.

El uso de equipos de etapas múltiples para efectuar el secado intermitente es ventajoso, en relación con el de recirculación del producto en secadores que no tienen zonas de descanso, porque en los primeros es posible usar diferentes temperaturas y flujos de aire en cada cámara de secado, con lo que se optimiza el uso del secador.

 

Secado combinado

El secado combinado es una técnica que consiste en utilizar un sistema de secado a altas temperaturas cuando el producto presenta un contenido de humedad más elevado, sobre 16-18%, y a partir de ese punto, completar el secado con un sistema de secado a bajas temperaturas.

La eficiencia térmica de secado de los secadores de altas temperaturas aumenta significativamente cuando ellos forman parte de sistemas de secado combinado. Los motivos principales para ese aumento de eficiencia son los siguientes:

a) los secadores funcionan con productos en una faja de humedad en que la evaporación de agua es más fácil; y
b) los enfriadores, en general no se usan, porque los granos normalmente deben llegar al sistema de secado a bajas temperaturas mientras están todavía calientes. Muchas veces los enfriadores se convierten en zonas de secado, lo que aumenta la capacidad de los secadores a altas temperaturas.

Hace falta explorar mejor los sistema de secado combinado, especialmente a nivel de granja.

 

Seca-aireacion de granos

La seca-aireación de granos es un proceso en el cual el producto se seca, mediante un secador a altas temperaturas, hasta un contenido de humedad superior, en uno a tres puntos porcentuales, al contenido ideal para almacenarlo, sin someterse a enfriamiento mientras pasa por el secador. Luego, el producto pasa a un silo, donde permanece en reposo por un lapso de cuatro a seis horas y posteriormente se enfría, con el sistema de aireación del propio silo, que se debe proyectar para cumplir esa etapa en un período de 12 a 16 horas (Figura 28).

El proceso de seca-aireación presenta tres ventajas en relacion al proceso de secado a altas temperaturas, con enfriamiento en el propio secador: a) reducción del consumo de energía; b) producto final de mejor calidad; y c) aumento de la capacidad de secado del secador.

Durante el proceso de secado a altas temperaturas se desarrolla al Interior de los granos una diferencia en el contenido de humedad y la parte interna permanece más húmeda que la parte superficial. Durante el período de reposo, en el proceso de seca-aireación, el contenido de humedad al interior del grano se empareja y permite que se retire entre uno y tres puntos porcentuales de humedad durante el periodo de enfriamiento. Cuando el enfriamiento se efectúa en el mismo secador, no se consigue retirar la misma cantidad de humedad, porque el enfriamiento se efectúa inmediatamente después del secado, en un lapso muy corto, sin aprovechar la energía almacenada en el grano en forma de calor sensible. Por ello el consumo de energía es menor cuando se emplea el proceso de seca-aireacion

Las tensiones internas que se desarrollan en el grano al final del proceso de secado a altas temperaturas y con enfriamiento rápido, se reducen al mínimo en el proceso de seca-aireación. Así, los granos están menos sujetos a fracturas y daños durante las operaciones posteriores al secado.

En el proceso de seca-aireación, el flujo de granos en el secador puede aumentar, ya que la cantidad de humedad que se ha de eliminar es menor. El aumento del flujo de granos permite utilizar temperaturas más elevadas en el aire de secado, en virtud del menor tiempo de residencia del producto en el secador. Con el aumento de temperatura, el aire gana más capacidad de secado, lo que permite aumentar aun más el flujo de granos. En esa forma, el secador pasa a tener mayor capacidad de secado y su eficiencia energética aumenta, debido a la elevación de la temperatura de secado. Se consiguen, generalmente, economías de 20 a 40% de energia y aumentos de la capacidad de secado entre 50 y 75%. El aumento real de la capacidad del secador y la economía de energía dependen del contenido de humedad inicial, de las condiciones climáticas del lugar y de la característica de la unidad almacenadora donde está instalado el sistema.

Enfriamiento. la operación de enfriamiento debe Iniciarse cuatro a seis horas después de que la primera partida de granos entre en el silo. Incluso, una vez iniciado el enfriamiento, se puede seguir agregando producto hasta completar la capacidad del silo, porque el sentido del movimiento de aire es de abajo hacia arriba. En tal caso, el ventilador escogido debe permitir que el producto quede en el silo por lo menos cuatro horas, sin someterlo a enfriamiento.

Si se trata de instalar sistemas de seca-aireación en que el secador es de baja capacidad de secado, generalmente se deben destinar dos silos al enfriamiento. Cada silo debe tener capacidad para recibir todo el grano secado en un dia, de modo que, mientras un silo se carga, el producto del otro se puede estar enfriando o descargando. En aquellas unidades de almacenamiento que poseen un secador de gran capacidad, es preciso emplear más de dos silos para enfriar el producto, para que la potencia de los ventiladores no sea demasiado elevada.

Equipos empleados en el proceso de seca-aireación. En la instalación de un sistema de seca-aireación, es importante realizar un proyecto que incorpore todos los beneficios que el sistema puede proporcionar.

Los silos de enfriamiento deben tener capacidad compatible con la capacidad del secador. Cuando se usa un secador en un sistema de secaaireación, su capacidad de secado aumenta en 50 a 75%. Hay que considerar también la posibilidad de ampliación futura del sistema, recordando que un silo sobredimensionado en un momento determinado no es problema, puesto que al final de la cosecha los silos de enfriamiento normalmente se transforman en silos de almacenamiento.

El ventilador se debe proyectar para que suministre la cantidad de aire necesaria para enfriar el producto durante el tiempo previsto. Si se tiene solo dos silos de enfriamiento, de modo que cada día el producto secado se destina a uno de ellos, es ideal que el ventilador entregue un flujo de aire suficiente para que el frente de enfriamiento se desplace dentro del silo, en la misma proporción en que este último se va cargando. De este modo, todo el producto permanecerá en reposo dentro del silo por un periodo de cuatro a seis horas. En tal situación, la cantidad mínima de aire recomendada es de 13 m³/min. por cada tonelada de capacidad horaria del secador empleado.

Si se ocupa la seca-aireación cuando la capacidad de secado del secador es elevada, el silo se repleta en corto tiempo. En tales condiciones, la cantidad de aire recomendada para el enfriamiento es de 0,5 a 1 m³/min. por tonelada de capacidad del silo.

Además de entregar la cantidad ideal de aire, el ventilador debe hacer que el aire venza todas las resistencias que el sistema impone a su paso. Es importante considerar la resistencia que impone la masa de granos y el sistema de distribución de aire.

La distribución del aire en los silos de enfriamiento se realiza normalmente mediante conductos de superficie perforada. La ubicación de estos conductos debe ser tal que el enfriamiento alcance a toda la masa de granos. Las velocidades ideales del aire en sistemas de aireación aparecen en NAVARRO y CALDERON (1984) (Figuras 29 y 30).

El sentido del movimiento del aire, en el enfriamiento del producto dentro del silo, debe ser de abajo hacia arriba, puesto que el enfriamiento normalmente comienza cuando el silo todavía no se termina de cargar. Con este procedimiento, la primera partida de granos que entra en el silo será la primera en enfriarse. Así, el aire caliente y húmedo que sale del frente de enfriamiento no entra en contacto con el producto ya enfriado, lo que podría provocar condensación de la humedad y un nuevo calentamiento de los granos.

El proceso de seca-aireación exige un sistema eficiente de transporte de granos, puesto que el producto debe pasar por correas transportadoras más veces que en el proceso de secado con enfriamiento en el propio secador. Las principales operaciones de transporte en un sistema de seca-aireación son tres: a) carga del secador con producto húmedo; b) traslado del producto caliente del secador al silo de enfriamiento; y c) traslado del producto enfriado al sistema de almacenamiento.

Los determinadores de humedad que normalmente se emplean en las unidades de almacenamiento son los de método indirecto, es decir, que la determinación se hace correlacionando, generalmente, alguna propiedad eléctrica, con el contenido de humedad existente en el producto. Este tipo de aparato no entrega, generalmente, resultados satisfactorios en la determinación de la humedad del producto caliente que sale del secador. En vista de eso, es necesario establecer un factor de corrección para los valores que señala el determinador.

El secador de granos debe ofrecer dos opciones de uso: la operación tradicional y la operación en sistema de seca-aireación.

En la tradicional, el producto se seca y se enfria en al mismo secador. En la de seca-aireación, al producto se retira caliente del secador. Para esto, lo ideal es que el secador permita transformar la sección de enfriamiento en sección de secado; el ello no fuera posible, sencillamente se debe suspender la entrada de aire por la sección de enfriamiento.


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