Determinación del uso energético y la eficiencia energética durante el secado en secadoras comerciales

Alejandra Billiris y Terry SiebenmorgenImpacto de los procesos de producción y elaboración de arroz en

la calidad molinera y sensorial, últimas investigacionesMontevideo, Uruguay10 de octubre de 2013

ObjetivoDeterminar los requerimientos energéticos y la eficiencia energética de secadoras comerciales de flujo cruzado utilizando requerimientos energéticos teóricos como línea base de comparación.

Med

Teo

EE

=η

η es la eficiencia energética del proceso de secado

Energía medida

Energía teórica

Estadíos del proyecto

Requerimientos energéticos

teóricos

Requerimientos energéticos medidos

(Industrial)

Requerimientos energéticos medidos

(Productor)

Determinación de los requerimientos energéticos teóricos

Ecuación de presión de vapor de Clausius-Clapeyron

Curvas de desorción de

arrozH

umed

ad d

e eq

uilib

rio, %

Humedad relativa de equilibrio, %

2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

10 12 14 16 18 20 22 24

Ener

gía

teór

ica,

kJ/

kg a

gua

Contenido de humedad inicial (Hi), % base húmeda

Energía teórica para secar arroz

Temperatura (T): 40°CContenido de humedad final (Hf):12,5%

)(0.4))(5,22.3( 2.242.24536 fi HHfiTeo eeHHTE −− −−−−=

40°C 18,0%

12,5% 18,0% 12,5%

2200

2250

2300

2350

2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

10 12 14 16 18 20 22 24

Ener

gía

teór

ica,

kJ/

kg a

gua

Contenido de humedad inicial (Hi), % base húmeda

Efecto del tipo de grano en la energía teóricaTemperatura (T): 40°CContenido de humedad final (Hf):12,5%

Grano medio

Grano largo

Parboiled

Estadíos del proyecto

Requerimientos enrgéticos teóricos

Requerimientos energéticos medidos

(Industrial)

Requerimientos energéticos medidos

(Productor)

Silos para reposo

Secadora

Secadora industrialCorning, Arkansas

Arroz húmedo

Plenum

Arroz seco

Quemador

Columna de secado

Diagrama secadora industrial

Columna de secado

Ventilador

Configuración secadora industrialArroz húmedo

Quemador

Salida de aire

Aire ambiente

Arroz seco

Línea de simetría

Trayectoria del aire de secado

Trayectoria del arrozPlenum

Columna de secado

Energía térmicaCalentar el aire de secado

Energía eléctricaForzar el aire hacia la secadora Mallas

Ventilador

Arroz húmedo

Plenum

GM

Zonas de muestreo a la entrada y salida de la secadora para determinación de humedad

GM Medidor de gas (volumen de gas utilizado)

Arroz seco

Columna de secado

AMP

AMP Amperímetro (corriente)

Mediciones

14 m

Quemador

Ventilador

Medidor de humedad (Infratec)

Requerimientos energéticos térmicos “por paso” (Etérmica)

Mediciones

Contenido de humedad inicial (Hi )Contenido de humedad final (Hf )

Masa inicial de arroz húmedo

Volumen de gas natural utilizado (V)

Medidor de humedad

Medidor de gas

BalanzaMasa de agua removida (ma)

Etérmica = V×CC CC es el calor de combustión (37,260 kJ/m3)ma ma es la masa de agua removida durante cada corrida

Requerimientos energéticos eléctricos “por paso”

•Se registró la intensidad de la corriente consumida por el ventilador cada 15 minutos y se calculó la corriente promedio utilizada durante cada corrida

•Se calculó la potencia promedio consumida por el ventilador:

P = V×I×√3P es la potencia promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en WattsV es el voltaje en volts ~ 480 VI es la corriente promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en amperes

• Se calculó la energía eléctrica consumida:

Eelec= P×tiempo

Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del aire de secado

1/3

1/3

1/3Plenum

Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del ambiente

Mediciones de las condiciones ambientales y de secado

Quemador

Ventilador

Pruebas de secadoPrueba Humedad

cosecha, %

Temperaturas en cada paso (Tas/Ta)

Primer °C

Segundo °C

Tercer °C

Cuarto °C

Zafra: Setiembre – Octubre 20111 20,4 68/23 58/23 53/22 37/14

2 19,0 65/18 54/25 38/25 ….

3 19,4 70/23 59/12 38/25 ….

4 19,4 …. …. …. ….

Zafra: Julio - Octubre 20121 15,5 54/23 39/26 …. ….

2 18,3 68/20 61/18 20/12 ….

3 15,4 60/25 35/11 15/15 ….

Tas es temperatura del aire de secadoTa es temperatura ambiente

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1 2 3 4 5 6 7

Ener

gía,

kJ/

kg a

gua

Energía teórica

20,4

Consumo energético por prueba

19,0

19,415,418,3

15,5

19,4

Hi, %

ηtérmica= 28%

Energía térmica

20122011

Energía eléctrica

Prueba

Varios factores incluyendo, la temperatura del aire de secado, la temperatura ambiente y la humedad del arroz afectan los requirimientos energéticos durante el secado.

Se utilizó un análisis de regresión múltiple para predecir los requerimientos energéticos durante el secado

Selección de variablesLas temperaturas ambiente y de secado afectan los requerimientos energéticos simultáneamente

La diferencia entre la temperatura del aire de secado y la temperatura ambiente (Tas-Ta) podría ser un factor importante afectando los requerimientos energéticos

Representa la cantidad de energía necesaria para calentar el aire ambiente hasta la temperatura de secado

Selección de variables cont.

La humedad inicial y final afectan los requerimientos energéticos

La cantidad de agua removida por masa de materia seca de arroz (ma/ms) podría ser otro factor relevante

Caracteriza el arroz, dado que involucra la humedad inicial y final del arroz

Ecuaciones

( ) 180.6723.432250 +

−−=

msmTTE a

aastérmica R2 = 0,65

( ) 8,40682.101,1 +

+−−=

msmTT a

aastérmicaη R2 = 0.74

•Otros factores como la temperatura de entrada del arroz y el grado de saturación del aire de salida podrían ser responsables de la variabilidad no explicada en Etérmica

0

0.5

1

1.5

2

2.5

15.4 15.5 18.3 19.0 19.4 19.4 20.4Contenido de humedad inicial de cada prueba, % base húmeda

Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~12,5%C

osto

, $/to

n de

arr

oz

Precio gas natural: $3/1.000 ft3 ($3/millón Btu)

Estadíos del proyecto

Requerimientos enrgéticos teóricos

Requerimientos energéticos medidos

(Industrial)

Requerimientos energéticos medidos

(Productor)

Drying system Silos para almacenamiento

Silos precalentamiento/

reposo

Secadora

Diagrama de flujo

ReposoSecado 1er pasoCosecha Precalentamiento

AeraciónSecado 2do paso Reposo

Precalentamiento

Arroz húmedo: entrada

Ventilador Quemador

Columna de secado

Arroz seco: salida

Entrada de arroz

Salida de arroz

Entrada de aire

Ventilador

Vista de perfil

S Sensor para temperatura y humedad de arroz

S

S

GM Medidor de gas (volumen de gas utilizado)

GM

Pruebas de secado (CL XL745)Prueba Número de

pasosHi

(cosecha) Temperaturas en cada paso (Tas/Ta)

Primer°C

Segundo °C

Zafra: Setiembre – Octubre 20111 2 21,7 56/23 49/16

2 1 18,6 49/18 ----3 1 16,6 48/29 ----4 2 18,9 50/27 46/14

5 2 21,0 45/20 48/17

Zafra: Julio – Octubre 20121 2 17,6 52/19 43/222 2 18,2 49/9.0 44/233 1 17,4 44/22 ….

Hi es el contenido de humedad inicial del arrozTas es la temperatura del aire de secadoTa es la temperatura del aire ambiente

Medidas de contenido de humedad

14151617181920212223

0 1 2 3 4 5 6

Con

teni

do d

e hu

med

ad in

icia

l, %

Prueba

10

11

12

13

14

0 1 2 3 4 5 6

Con

teni

do d

e hu

med

ad fi

nal,

%

Prueba

Contenido de humedad en la cosecha

Luego del precalentamiento

Salida de la secadora

Luego del reposo

Resultados

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1 2 3 4 5 6 7 8

Consumo energético por pruebaEn

ergí

a, k

J/kg

agu

a re

mov

ida

Prueba

22%

19%19%

17%

21%18%

18%

17%

η=90% η=43%

Hi

Energía térmica

Energía teórica

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 2 3 4 5

Ener

gía,

kJ/

kg a

gua

rem

ovid

a

Prueba

Hi

Primer pasoSegundo paso

Temperatura ambiente Baja eficiencia energética parece estar relacionada con las bajas temperaturas nocturnas

Requerimientos energéticos “por paso” (2011)

14°C16°C 27°C29°C18°C 20°C 17°C23°C

21,7%

15,4%16,4%

21,0%

18,9%16,6%

18,6%

15,7%

Ecuaciones

( ) 048,2792,54215 +

−−=

msmTTE a

aastérmica R2 = 0,79

( ) 2.9552044.2 +

+−−=

msmTT a

aastérmicaη R2 = 0,71

0123456789

10

16.6 17.4 17.6 18.2 18.6 18.9 210 21.7

Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~13%

Contenido de humedad inicial en cada prueba, % w.b.

Cos

to, $

/ton

arro

z

Precio propano: $2/gal de líquido ($11/millón Btu )

21.0

Resumen Los requerimientos energéticos para secar arroz variaron desde

7.200 hasta 11.100 kJ/kg de agua removida para la secadora industrial y desde 2.840 hasta 5.840 kJ/kg de agua removida para la secadora a nivel productor

La eficiencia energética varió desde 25 hasta 35% para la secadora industrial y desde 44 hasta 90% para la secadora a nivel productor

La temperatura ambiente, la temperatura de secado y el contenido de humedad del arroz afectaron los requerimientos energéticos durante el secado

Las ecuaciones desarrolladas podrían ser usadas para evaluar las condiciones de secado que llevan a ahorrar energía

Resumen cont.

Ajustar el calendario de secado de modo de aprovechar las altas temperaturas durante el día podría conducir a ahorro energético

Es posible que el precalentamiento conduzca a ahorro energético

Gracias

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 10 20 30 40 50 60

Ener

gía

térm

ica,

kJ/

kg a

gua

Tas-Ta, °C

Predicción de los requerimientos energéticos

0.020 = ma/msTípico primer paso

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 10 20 30 40 50 60

Ener

gyth

erm

al, k

J/kg

agu

a

Tas-Ta, °C

Predicción de los requerimientos energéticos

0.006 = ma/msTípico tercer paso

0.016 = ma/msTípico segundo paso

0.020 = ma/msTípico primer paso