ESTUDIO DE LA CINÉTICA DEL SECADO DE GRANOS EN EL PROTOTIPO DE SECADOR SOLAR. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Susana Fonseca Fonseca, Ciro César Bergues Ricardo, Jorge Luis Abdala Rodríguez, Pedro Griñán Villafañe, Geovannis Hernández Gálvez Centro de Investigaciones de Energía Solar

En el presente trabajo se presentan los resultados de las pruebas cinéticas de un secador solar de bajo costo para semillas. Las pruebas fueron realizadas con semillas de maíz, soja y calabaza, y los resultados obtenidos concuerdan bien con esta simple y útil tecnología basada en cubiertas de polietileno. De estas pruebas se pudo determinar que el secado de 3 kg/m2d semillas en estos secadores es una solución alternativa potencial para el secado de semillas en nuestro país. Palabras clave: cinética, secado solar. _____________________

In the present work are shown results of kinetical tests of a low cost solar dryer for seeds. Tests were made using corn, soja, and gourd seeds, and results are according to this simple and useful technology based in polietilenum covers. From these tests is clear that drying of seeds from 1 to 3 kg/m2 day in those dryers is a potential alternative solution for seed drying in our country. Key words: kinetics, solar drying.

Introducción El secado solar de productos agrícolas es una de las aplicaciones potenciales más importantes de la energía solar, ya que para ello se requiere calor a bajos niveles de temperatura, donde la eficiencia de los colectores es mayor, y además, no es indispensable la acumulación de energía. El secado solar natural en patios secadores es la forma más antigua y difundida del empleo de la energía solar para el secado de productos agropecuarios. El secado natural en los patios secadores ha ido disminuyendo progresivamente a favor del secado en secadores mecánicos que utilizan energía convencional, dado fundamentalmente por la disminución del tiempo de secado, lo que conlleva a eliminar la posibilidad de daño al producto por secado lento y la disminución del costo de la mano de obra. Al utilizar secadores que emplean energía convencional se consume mayor cantidad de ésta, y debe hacerse una inversión inicial generalmente alta, por lo tanto, cuando el secado se efectúa en secadores que utilizan energía convencional puede suceder que el costo sea alto. El aumento del precio de los combustibles en los últimos años ha originado el incremento del

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interés en el aprovechamiento de la energía solar para el secado de productos agropecuarios, y numerosos países entre los que se pueden citar Brasil, Argentina, Perú, etcétera, trabajan en este sentido. Por otra parte, se conoce que la productividad de un secador solar es inferior a la de un secador que utilice energía convencional, por lo tanto, para ser competitivo con este último, los costos iniciales y de operación deben ser menores, manteniendo una calidad en el producto comparable a la de un secador térmico convencional. En el proceso de beneficio de diferentes productos agrícolas se realiza, como paso imprescindible, el secado de semillas, el que se efectúa en secadores térmicos convencionales, constituyendo esta operación uno de los renglones de mayor consumo energético y con un peso apreciable dentro de los costos del proceso. La producción de semillas es una actividad intrínsecamente rentable y considerada estratégica para muchos países del tercer mundo. En nuestro país es también una de las líneas priorizadas en el contexto de la investigación científica por su incidencia fundamental en la alimentación humana. El secado de semillas puede realizarse en

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condiciones fácilmente alcanzables mediante el secado solar. Para intentar dar solución a algunos de estos problemas, la aplicación de la tecnología solar debe pasar por las obligadas etapas de los estudios cinéticos para el secado de semillas en el prototipo por considerar, y del estudio económico del comportamiento del proceso de secado solar frente a las variantes convencionales en igualdad de condiciones y en condiciones nominales de funcionamiento. La premisa conceptual en el diseño del secador solar de granos fue el abaratamiento de su costo y la sencillez de su operación, que deben ser factores que hay que tener en cuenta para elaborar tecnologías solares para el secado de semillas en nuestras condiciones. Las variables del comportamiento cinético del secado son de interés para determinar los índices funcionales del secador. El presente trabajo tiene el objetivo de realizar el estudio de la cinética del proceso de secado de diferentes semillas (maíz, calabaza y soja).

Desarrollo El secador solar de semillas en el cual se realizan las pruebas cinéticas es un prototipo que consiste en una cubierta de polietileno de 3 m2 situada directamente sobre la plataforma de secado. Esta cubierta limita la radiación solar incidente y es de color negro, el producto es calentado hasta 40 0 C por la radiación infrarroja. Una chimenea solar de evacuación del aire caliente (fig. 1) sirve para crear el tiro que arrastra la humedad al exterior.

Estudio de la cinética de secado de las semillas de maíz, calabaza y soja Además del maíz, entre otros granos sometidos al proceso tecnológico de beneficio están las semillas de calabaza y de soja. Es de interés realizar estudios para establecer la cinética del secado en nuestro prototipo con un nivel de carga viable para el proceso tecnológico. El secador solar de granos seca en cama fina, a nivel de la plataforma. Las experiencias son realizadas en un prototipo de 0,6 m2 de área y el

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nivel de carga para los granos referidos fue de 3 kg/m2 . Como está establecido en la literatura, la cinética del secado de granos cuando tiene su humedad natural inicial de alrededor del 20 % hasta una humedad final de 13 % obedece al llamado segundo período de secado, en el cual el comportamiento de la humedad en el tiempo no es lineal. Tales son los casos del maíz y la soja. En semillas como la calabaza cuyo proceso tecnológico de beneficio exige su hidratación para eliminar el mucílago, hasta niveles de humedad de 50 %, existe un breve intervalo de tiempo en que el secado tiene un comportamiento de "primer período" o sea, el descenso de la humedad es lineal con el tiempo, y posteriormente se repite el comportamiento dado en las otras semillas. En la velocidad de secado de las semillas influye el estado de división o granulometría de las mismas, y de modo general a medida que las semillas son más pequeñas se facilita su secado. Desde luego, si la energía incidente no es constante, como en el caso del secado solar, el comportamiento del descenso de la humedad depende también del carácter del gradiente de esta energía en el tiempo, y las curvas de secado no corresponden al caso de suministro constante de energía.

Parte experimental La finalidad de la evaluación del secador solar de granos estuvo dirigida a conocer la cinética del secado, para posteriormente realizar el análisis de viabilidad económica de la instalación. El nivel de carga de 3 kg/m2 fue seleccionado de acuerdo con ensayos preliminares a esta etapa de trabajo. Los rangos de humedades de interés en la soja van desde el 20 % (inicial) hasta el 13 % (final ), en la calabaza van desde el 50 % (inicial) hasta el 10 % (final ), y en el caso del maíz del 20 % al 13 %. Se trabajó en días de verano e invierno principalmente en días claros y de insolación media de 1,6 x 104 a 2 x 104 kJ/m2 debido a que sólo para estas condiciones el secador alcanza los parámetros de operación de diseño. Se midieron las variables climatológicas en la Estación

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Actinométrica del CIES. Cada experimento fue replicado seis veces. Además, se midió la humedad del aire dentro de la cámara del prototipo evaluado. La determinación de la pérdida de humedad del grano se realizó en un determinador de humedad y se verificó por el método gravimétrico.

Análisis de los resultados Las pruebas de secado fueron realizadas a semillas de tres productos con características físicas diferentes: maíz, calabaza y soja. El comportamiento del secado de las semillas referidas se observa en las figuras 1 a la 8.

Fig. 1 Temperaturas del aire dentro y fuera del secador para el maíz.

Fig. 2 Humedad del aire dentro y fuera del secador para el maíz.

Fig. 3 Curva de secado para el maíz.

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Fig. 4 Curva de velocidad de secado para el maíz.

Fig. 5 Temperaturas del aire dentro y fuera del secador para la calabaza.

Fig. 6 Humedad del aire dentro y fuera del secador para la calabaza.

Las figuras 1 y 5 muestran el comportamiento de la temperatura del aire dentro y fuera del secador, trabajando con carga en los tres productos referidos. La temperatura del aire interior

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alcanza valores máximos del orden de los 40 o C y su comportamiento es uniforme a lo largo del día solar. La temperatura exterior es de 30 o C como promedio, con valores máximos algo superiores.

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Fig. 7 Curva de secado para la calabaza.

Fig. 8 Curva de velocidad de secado para la calabaza.

Estos niveles de temperatura se corresponden con los relacionados en la literatura /4/ en que se establecen los niveles recomendados para la calidad de las semillas en valores máximos de 40 o C (Copeland y Mc Donald, 1985). En la misma bibliografía se establece que estos criterios son aún muy conservadores requiriéndose temperaturas máximas reales de 55-67 o C para contenidos de humedad del grano en base húmeda de 3018 %, o sea, valores muy superiores a los máximos registrados en el secador solar de granos. El comportamiento de la humedad del aire dentro y fuera del secador se analiza a partir de las figuras 2 y 6. En ellas se observa que la humedad relativa en el interior del secador tiende a ser menor que la humedad del aire exterior sobre todo en horas cercanas al medio día solar. En horas extremas, sobre todo en horas de la

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tarde, puede ocurrir una inversión de este comportamiento. El comportamiento de la humedad relativa del aire dentro del secador está determinado por las cantidades relativas de energía y vapor de agua añadidos al aire. /4/ En las instalaciones de secado de grano convencionales la humedad relativa tiende a bajar mientras dura la combustión del combustible. En el caso solar el suministro energético es de menos densidad y la humedad tiende a bajar mientras el compromiso mencionado se resuelva a favor del suministro de energía por el Sol, lo cual ocurre en torno a las horas del medio día solar. Las figuras 3 y 7 muestran la variación de la humedad en el tiempo (curvas de secado) en los productos referidos. Es evidente en los casos del maíz y la soja que el secado se produce en la zona de velocidad de

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secado decreciente (2do período de secado), como lo corrobora también la bibliografía /1, 4/. En el caso de la calabaza debido a que las semillas tienen que ser lavadas inicialmente durante el proceso tecnológico, para separar las partes blandas de la semilla, su humedad inicial es bastante superior a la de los casos anteriores, alcanzando valores de alrededor del 50 %, esto trae por consecuencia la existencia de un primer período de secado el cual se observa claramente en la figura 7. En las figuras 4 y 8 se aprecia el comportamiento de las curvas de velocidad de secado vs. humedad para maíz, calabaza y soja. En los casos del maíz y la soja se observa que los máximos de la velocidad de secado se alcanzan en valores cercanos al 18 %, en el caso de la calabaza los máximos ocurren alrededor del 50 % de humedad base seca. El comportamiento de la curva que como en el caso de la soja no presenta una zona de velocidad constante se debe a la ocurrencia de secado en el período de velocidad de secado descendente como se refirió anteriormente. La no correspondencia con la forma típica de las curvas de velocidad de secado presentadas por la literatura se debe a que éstas son determinadas generalmente en condiciones controladas de la fuente de suministro de calor y velocidad del viento, sin embargo, en este caso la fuente es variable (condiciones climatológicas), lo que puede variar el perfil de la curva.

Conclusiones ·

Se realizó el estudio de la cinética del proceso de secado en las semillas evaluadas, el cual permitió obtener índices de productividad de 2 a 3 kg/m2 d y evaporación de humedad de 0,080,12 kg/m2 d (soja, maíz) y de 0,74 kg/m2 d

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(calabaza) en correspondencia con los intervalos usuales para este tipo de tecnología. La forma de las curvas de secado se aparta de la típica debido a que el secado se efectúa en condiciones no controladas.

Bibliografía 1. Boizán Jústiz, M., Secado fluidizado de productos alimenticios, Santiago de Cuba, Editorial Oriente, 1986. 2. Bergues, C. et al ., "Secador Solar doméstico con materiales de la construcción", en Revista Tecnología Química, 1993. 3. _____________, "Secador solar de verduras", en Revista internacional Solar Méjico,1994. 4. Brooker, D. B. et. al ., Drying and Storage of Grains and Oilseed , New York, Van Nostrand Reinhold, 1992. 5. Carnero, R., et al ., El secado solar de productos agropecuarios: una vía económica y factible , Memorias del Evento Solar’94 Habana, Cuba, 1994. 6. Chutnovski, Af, Características termofísicas d e m a t e r i a l e s d i s p e r s o s, Moscú, Editorial Fizmatgiz, 1962. 7. Egorov, G. A., Relación entre la humedad y las propiedades térmicas de granos de trigo , Tésis de candidatura, MTUUPP, Moscú, 1956. 8. Lyuboshic, V.; Slobodkin, A., Secado de productos termolábiles dispersos, Traducción del ruso y prólogo de M. Boizán, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, 1974. 9. Guezhov, A.; Samochetov, P., Secado y secadores de granos, Moscú, Editorial Kolos, 1967. 10. Guinzoburg, A. S., Secado de productos aliment i c i o s, Moscú, Editorial Pishchevopromizdat, 1960. 11. Kossek, V. K., Determinación de la cinética del secado de productos microgranulares de la industria alimenticia (Tesis de candidatura) Odesa, 1967.

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