01-06-2015

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ObjetivoAl final de la Clase 27 los alumnos podrn hacer lo siguiente:

Explicar mecanismos de transferencia de calor y masa en secado con aire caliente y seco (IdD 3.1)Construir, explicar, y usar curvas de secado (IdD 3.2)Explicar el acoplamiento entre la transferencia de calor y masa durante el perodo de velocidad de secado constante, y su efecto en las condiciones en la superficie del producto (IdD 3.1)Explicar el efecto de las condiciones del aire en la velocidad de secado (IdD 2.2)

Definicin del secadoSecado es la remocin virtualmente completa del agua de los productos; la deshidratacin produce bajoscontenidos finales de humedad (1-5%)En la terminologa del curso, el secado es la operacin unitaria que reduce la aw de un producto removiendo agua por evaporacin o sublimacin, y as aumenta su vida tilEl secado se efecta en condiciones controladas para minimizar la prdida de bioactividad del producto

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Transferencia interna

Transferencia de calor y masa durante el secado

Transferenciade calor

Transferenciade masa

Transferencia externa

Fuen

te de

ca

lor

Conduccin

Conveccin Conduccin

Sum

ider

o de

hum

eda

d Difusin

Conveccin

Difusin

Evaporacin/condensacin

Flujo capilar

Frente de evaporacinSuperficiedel alimento

La velocidad de secado depende de las velocidades de transferencia de calor y vapor de agua en el aire y en el productoEn general, matemticamente se cumple la siguiente relacin:

Tasa de transferencia = Fuerza motrizx

Transferencia de calor:T

Transferencia de masa:(aw)producto - (HR/100)aire

Coeficiente de transferencia

Incluye efecto de lamicroestructura

del producto

Modelo fsico del secado

Poroso

En cada instante, uno de las tasas de transferencia (de masa o calor, en el aire o el producto) tiene el menor valor, lo que define el mecanismo controlante del proceso de secado en ese instanteInicialmente, la tasa de secado es controlada por las resistencias externasPosteriormente, las resistencias internas comienzan a controlar el proceso

Denso

Mecanismo controlante del secado

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Fuentes de calor para el secado

Secado con aire calienteEl aire caliente y seco puede actuar simultneamente como fuente de calor y como sumidero de humedad

El aire aporta el calor sensible y el calor latente de vaporizacin del aguaElimina el vapor de agua que se acumula en la vecindad de la superficie

Curvas de secadoMismas condiciones del material (humedad inicial, superfice expuesta) y aire de secado (temperatura, humedad, velocidad) usadas en la prcticaLos resultados experimentales se presentan en la forma de tres curvas de secado batch

Humedad libre (X) versus tiempo (t)Velocidad de secado (R) versustiempo (t)Velocidad de secado (R) versushumedad libre (X)

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W: peso total, incluyendo agua y slidos secos (SS); medido experimentalmente en funcin del tiempo de secado (t)

Ws: peso de slidos secos (base fija)

Presentacin de datos de secado batch como humedad libre versus tiempo: definiciones

X: humedad libre (kg agua libre/kg SS)

X*: humedad de equilibrio (kg agua/kg SS)

Xt: humedad total (kg agua/kg SS)

Humedad de equilibrio (X*), humedad libre (X), y contenido de agua ligada de un alimento

Macarrones

Galletas

Pan

25 C

Los datos de secado tambin se presentan como curvas de velocidad de secado versus humedad libreLa velocidad instantnea de secado es la pendiente de la tangente a la curva de secado o de humedad libre versus tiempo (dX/dt, kg agua/kg slido seco/h) para el tiempo t (h)L

En la figura, Xc representa el contenido crtico de humedad libre (kg agua / kg slido seco) del alimento

La velocidad de secado R en unidades de (kg agua/m2/h) es:

donde ms es el peso de slido seco (kg slido seco), y A la superficie expuesta del material (m2)

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Propiedades del aire secadoHumedad absoluta (W). Peso de agua contenido en una unidad de peso de aire seco (kg agua/kg aire seco)Humedad relativa (HR). Relacin porcentual entre la presin parcial del vapor de agua en aire y la presin de vapor de agua pura a esa temperatura (adimensional)Temperatura del bulbo seco (Tbs). La temperatura del aire medida con un termmetro (C)Temperatura de bulbo hmedo (Tbh) o saturacin adiabtica. La temperatura indicada por termmetro con bulbo humedecido por muselina mojada (C)

La carta psicromtrica resume las propiedades fsicas de las mezclas aire-agua

Aire secoTbs

Wa

Tbh

Wi

Esto ocurre al ca-lentar aire hmedo

Si las condiciones de secado permanecen constantes, se observan generalmente dos etapas principales: un perodo de velocidad de secado constante, y un perodo de velocidad decrecientePerodo de velocidad de secado constante. Inicialmente la superficie del alimento donde ocurre la evaporacin puede permanecer mojada (pelcula contnua de agua)

El movimiento del agua dentro del alimento mantiene la superficie mojada durante este perodoEl agua en la superficie no est ligada, y acta como si el slido no estuviera presenteLa temperatura del alimento permanece constante e igual a la temperatura de bulbo hmedo (Tbh) del aire de secado

Etapas en el proceso de secado

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La temperatura del alimento durante el perodo de velocidad de secado constante permanece constante, y por debajo de la temperatura del aire de secado

Durante el perodo de velocidad de secado constante, el producto se comporta como un termmetro de bulbo hmedo, y la temperatura de la superficie se equilibra en TbhComo Tbh es menor que la temperatura (de bulbo seco) del aire, este mecanismo de enfriamiento disminuye el dao trmico del producto durante el secado

En el perodo de velocidad de secado constante la velocidad de transferencia de calor, iguala a la de masa multiplicada por el calor latente de vaporizacin del agua

donde:q = tasa de transferencia de calor (W)h = coeficiente convectivo entre aire y agua (W/m2/C)A = rea de la interfaz (m2)Ta = temperatura de bulbo seco del aire (C)Ti = temperatura en la interfaz (bulbo hmedo) (C)kG = coeficiente de transferencia de masa (kg/s/m2)Wi = humedad del aire saturado a la temperatura de la interfaz (kg

agua/kg aire seco)Wa= humedad del aire (kg agua/kg aire seco) = Calor latente de vaporizacin del agua (J/kg)

Acoplamiento entre la transferencia de calor y de masa durante el perodo de velocidad de secado constante

Primer perodo de velocidad de secado decreciente. A partir de Xc(la humedad crtica del alimento), no hay suficiente agua en la superficie para mantener una pelcula continua

El contenido de agua libre en la superficie disminuyeprogresivamenteLa temperatura en la superficie aumenta progresivamente, acercndose a la temperatura (de bulbo seco, Tbs) del aire

Segundo perodo de velocidad de secado decreciente. Cuando la superficie del slido se seca completamente, el frente de evaporacin retrocede al interior del alimento, y la velocidad de secado disminuye an ms

Etapas en el proceso de secado (continuacin)

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Estimacin de tiempos de secado a partir de curvas de secado (R versus X)

En el perodo de velocidad de secado constante, R=Rc:

En el perodo de velocidad de secado decreciente, R=f(X):

Entonces, el tiempo de secado total (t ), es el siguiente:

Secado con aire de medios cubos de papa y zanahoria (Tbs=71 C, Tbs=38 C, v=4.1 m/s, carga=7.5 kg/m2)

Las curvas de secado dependen de la materia prima y su tamao

Secado con aire de tiras de papa de distinto tamao (Tbs=70 C, Tbh=35 C, v=4.9 m/s, carga=7.5 kg/m2)

Efecto de la velocidad del aire en el secado de medios cubos de papa (Tbs=71 C, Tbh=38 C, v=2.0-5.1 m/s, carga=7.5 kg/m2)

Efecto de la humedad del aire en el secado de tiras de papa (5/16 x 5/16 x 2.5 in2) con aire caliente (Tbs=70 C, v=3.0 m/s, carga=15 kg/m2)

Efecto de la temperatura del aire en el secado de medios cubos de papa (Tbs=60-76 C, Tbs-Tbh=28

C, v=4.1 m/s, carga=7.5 kg/m2)

Las curvas de secado tambin dependen de las condiciones del aire de secado

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Tamao. La disminucin del tamao del alimento i) aumenta la superficie especfica y ii) disminuye la distancia promedio que debe atravesar el agua en el alimentoTemperatura. Al aumentar Tbs aumentan las fuerzas impulsoras para transferencia de calor y masa (baja HR, y aumenta la capacidad para contener agua del aire)Las resistencias internas tambin disminuyen al mejorar las propiedades fsicas del alimento, pero dichas resistencias son ms afectadas por su microestructura)Humedad. Al disminuir HR, aumenta la fuerza impulsora para la transferencia de masa desde la superficie del alimentoVelocidad. Al aumentar la velocidad del aire mejora la conveccin, y aumentan los coeficientes de transferencia de calor y masa externos

Resumen de efectos en la velocidad de secado