Diseæo de un secador discontinuo de tœnel para piæa con ...

Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Mecánica

Diseño de un secador discontinuo detúnel para piña con sistema derecuperación de la humedad.

Trabajo �nal de graduación sometido a la consideración de la

Universidad de Costa Rica

como parte de los requisitospara aspirar al título y grado de

Licenciatura en Ingeniería Mecánica

Enrique Campos Velázquez - B21385

Ciudad Universitaria Rodrigo FacioAbril de 2019

Hoja de tribunal

Este proyecto de graduación fue aceptado por la Comisión de Trabajos Finales de Graduación de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar por el grado y título de Licenciatura en Ingeniería Mecánica.

Lic. Wagner ejías Chacón Representante del Director Escuela de Ingeniería Mecánica

-º-~ _ __ Jt _ _ L __ =-ci A_. ---~Asesora directora

Mag. Leonora dili:!:Ledina Escuela de Ingeniería Mecánica

_"JJ-+~¡/--'---J ----'-/)-=--rf __ A-1c""'~""""""'---------Asesora interna L~HarfiS Escuela de Ingeniería Mecánica

Centro Nacional de Ciencia y Tecnología de Alimentos

iel Monge Gapper e Ingeniería Mecánica

Resumen

Diseño de un secador discontinuo de túnel para piña consistema de recuperación de la humedad

por

Enrique Campos Velázquez

Universidad de Costa RicaEscuela de Ingeniería Mecánica

Profesora guía: Mag. Leonora de Lemos MedinaAbril de 2019

El proyecto explica el diseño de un secador de túnel para una tonelada de piña con el �n defomentar el crecimiento de prácticas que brinden valor agregado a los productos nacionales.Los alcances se limitan al diseño mecánico, elaboración de planos y estimación general de cos-tos del proyecto. Primero se detallan a nivel técnico los mecanismos físicos que se requierencomprender para elaborar el diseño. Con estos mecanismos claramente de�nidos, se procede acaracterizar los procesos psicrométricos del aire que debe circular por el equipo, temperatura,velocidad, �ujo y humedad, entre otros. Posteriormente, se seleccionan equipos que cumplancon las características requeridas para que el proceso de deshidratación sea el óptimo, estu-diando múltiples métodos de calentamiento del aire. Con el �n de facilitar el proceso de tomade decisión, se estimó el costo inicial y el de operación del equipo. A partir del estudio de estoscostos, se seleccionó el quemador de GLP como método de calentamiento del aire. El costoinicial de $ 108 653 sin recuperador de humedad y $ 119 653 con recuperador de humedad.El costo de operación se calculó que sería de $ 25,22/ h de uso del equipo más $ 399,71/mes yel costo de uso del enfriador, en caso de utilizar el recuperador de humedad. La decisión deutilizar o no el recuperador de humedad queda a discresión de las empresa interesada en elproyecto, pero se les brindan herramientas de toma de decisión como las ecuaciones del cálcu-lo del VAN y TIR para que puedan incorporar sus parámetros y así tomar una decisión sobreel equipo. Se anexan los planos del equipo para que pueda ser implementado por la industriacostarricense.Palabras claves: secador de túnel, deshidratación, piña, psicrometría, recuperador de humedad.

Dedicado a mi Dios, mi familia y amigos.

Agradecimientos

Primero que todo, agradezco a Dios por guiarme en este largo proceso. Por no dejar quemi curso se desvíe demasiado y por llenarme de fuerza y alegría para enfrentar las situacionesque me ha presentado.

Segundo, a mi familia. Mi papá y mamá que nunca dejaron de con�ar en mis habilidades,siempre exigiéndome más para alcanzar todo mi potencial. La excelencia es una habilidad queme enseño mi papá y es algo que nunca voy a olvidar. Yo le agradezco a mi mamá que lo hadado todo para que yo pueda tener, aunque sea un poco, de su bondad y humildad. Mi hermanosiempre ha estado ahí recordándome lo que es la felicidad y que hay muchas cosas lindas enla vida como para estar triste. Le agradezco a Dios que todos mis abuelos me hayan podidoacompañar en este proceso porque soy la persona que soy gracias a ellos. No habría terminadoeste documento de no ser porque me recordaban a diario lo importante que es concluir lasetapas en la vida para poder dar el siguiente paso. Le agradezco todo el apoyo a mi novia, quees la que siempre busca lo mejor en mi y la que me da alegría todos los días, gracias por todala ayuda pega.

Tercero, a mis amigos. Por enseñarme que en la vida hay que superarse continuamente,sin olvidar que la vida se disfruta siempre. No habría terminado la universidad si no fuera porlas salidas perpetuas, las que me recordaban lo simple que es sonreír y que nunca se está muycansado como para pasarla bien.

Cuarto, a mis profesores. Yo sé que muchos me recordarán como el estudiante que pre-guntaba de más en el aula, pero en todos estos años en la UCR nunca me dejaron con unaduda. Los profesores son los que me enseñaron todo lo que sé como profesional y es algo quenunca voy a olvidar. Muchas gracias en especial a Leonora por ser una guía excepcional eneste proceso y a lo largo de la carrera. Le agradezco enormemente a Roberto Bolaños por todala ayuda brindada. Sus consejos y experiencias son parte fundamental de este proyecto.

Al �nal, no estaría aquí de no ser por todos los que formaron parte de este proceso. IsaacNewton expresa perfectamente lo que siento: “Si es que he visto lejos es porque estoy sentadosobre los hombros de gigantes”.

Índice general

Índice general ix

Índice de �guras xi

Índice de tablas xii

Nomenclatura xiii

1 Introducción 11.1. Descripción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2. Objetivos especí�cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Justi�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5. Áreas de pertinencia temática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.7. Alcance y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.8. Patrocinio y terceras partes interesadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Marco Teórico 72.1. El proceso de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1. Proceso de secado exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2. Proceso de secado interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3. Mecánica de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.4. Presencia de Microorganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2. Caracterización de la piña a tratar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3. Secadores de túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3.1. Sistema de desplazamiento de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.2. Sistema de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

ix

x Índice general

2.3.3. Sistema de remoción de humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.4. Sistema de manejo de la piña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.5. Estructura del secador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.6. Proceso psicrométrico en un secador de túnel . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4. Mecanismos de transferencia de calor que intervienen en el diseño del secador 232.4.1. Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.2. Conducción térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.3. Convección térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.4. E�ciencia de los intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5. Normativas y recomendaciones para el diseño de equipos de tipo alimentario . 30

3 Diseño y selección de elementos del secador 313.1. Diseño y dimensionamiento de la cámara de secado y carros portadores de ban-

dejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2. Caracterización del proceso psicrométrico y el caudal del aire . . . . . . . . . . 333.3. Selección y diseño del sistema de calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.1. Calentamiento por electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.2. Calentamiento por GLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4. Recuperador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.5. Diseño del sistema de recuperación de humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6. Diseño del sistema de distribución de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.7. Diseño del marco estructural del secador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.8. Diseño y selección de los elementos complementarios . . . . . . . . . . . . . . 44

3.8.1. Paredes del secador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4 Estudio de costos 474.1. Costo inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.1. Estructura y mano de obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.2. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.3. Costo inicial totalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2. Costo de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3. Valor de la humedad recuperada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5 Conclusiones y recomendaciones 555.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

A Apéndice 59A.1. Selección del ventilador principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.2. Cálculo de pérdidas de calor por las paredes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

A.3. Imágenes del diseño �nal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Bibliografía 65

Índice de �guras

2.1. Isoterma del contenido de humedad contra humedad relativa del ambiente [21]. . . 132.2. Relación entre contenido de humedad, humedad relativa y temperatura [22]. . . . 132.3. Etapas del proceso de secado [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4. Curva de secado a condiciones constantes [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5. Actividad del agua en relación al contenido de humedad relativo [21]. . . . . . . . 182.6. Troceador de piña (Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.7. Curvas de secado de la piña con velocidad del aire de 2, 4m/ s (Datos de [19]). . . . 202.8. Esquemático de un secador de túnel [27]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9. Secador de túnel de 1945 [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.10. Psicrometría del secador de túnel [27]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1. Carro de bandejas [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2. Proceso psicrométrico con la menor temperatura del aire exterior. (Elaboración

propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3. Proceso psicrométrico con la mayor temperatura del aire exterior. (Elaboración

propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.4. Calentador eléctrico de tubos marca Wattco. [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.5. Quemador de gas marca Riello. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.6. Ventilador marca nyb. [23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

A.1. Imagen del sistema de ventilación y calentamiento. (Elaboración Propia) . . . . . . 62

xi

xii Índice de tablas

A.2. Vista en corte del equipo. (Elaboración Propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Índice de tablas

2.1. Actividad mínima del agua para el crecimiento microbiano [21]. . . . . . . . . . . 172.2. Contenido de humedad inicial de las muestras (Datos de [19]). . . . . . . . . . . . 19

3.1. Datos del proceso psicrométrico con la menor temperatura del aire exterior (Datosde [20]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2. Datos del proceso psicrométrico con la mayor temperatura del aire exterior (Datosde [20]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1. Costo de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2. Precios de transporte e impuestos de equipos principales (incluyendo cantidad) . . 494.3. Costo inicial con quemador de GLP, sin recuperador de humedad . . . . . . . . . . 504.4. Costo inicial con quemador de GLP, con recuperador de humedad . . . . . . . . . 504.5. Costo inicial con calentadores eléctricos, sin recuperador de humedad . . . . . . . 514.6. Resumen de costos de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Nomenclatura

q Flujo de calor. [W/m2 ]

m Flujo másico de aire húmedo. [ kg/ s ]

mg Flujo másico de aire por el quemador. [ kg/ s ]

mW Flujo másico de agua. [ kg/ s ]

Q Tasa de transferencia de calor. [W ]

Qe Tasa de transferencia de calor eléctrico requerido. [W ]

Qg Tasa de transferencia de calor del quemador de gas requerido. [W ]

Qℎ Tasa de transferencia de calor a retirar del aire. [W ]

Qp Tasa de calor perdida por las paredes. [W ]

Qmax Tasa máxima posible de transferencia de calor [W ]

V Flujo volumétrico de aire húmedo. [m3/ s ]

vc Flujo volumétrico de aire en cfm. [ cfm ]

vg Flujo volumétrico de aire en el quemador en cfm. [ cfm ]

� Efectividad del intercambiador de calor [ Adimensional ]

� Contenido de humedad característico. [ Adimensional ]

Humedad relativa. [ Adimensional ]

�i Densidad del gas i. [ kg/m3 ]

Ap Área equivalente perpendicular a la dirección del �ujo de calor. [m2 ]

As Área super�cial del sólido. [m2 ]

xiii

xiv Nomenclatura

aw Actividad del agua. [ Adimensional ]

C Razón de capacidad calorí�ca [W/℃ ]

c Relación de capacidades [ Adimensional ]

cp Calor especí�co a presión constante [ J/ kg ]

Cmax Razón de capacidad calorí�ca máxima del intercambiador de calor [W/℃ ]

Cmin Razón de capacidad calorí�ca mínima del intercambiador de calor [W/℃ ]

f Tasa de secado característica. [ Adimensional ]

ℎ Coe�ciente de transferencia de calor por convección. [W/m2⋅ ℃ ]

ℎi Entalpía especí�ca del gas i. [ kJ/ kg ]

I Interés mínimo seguro. [ Adimensional ]

k Conductividad térmica. [W/m ⋅ K ]

Ka Valor del agua recuperada. [$/ L ]

Kb Costo de operación del enfriador. [$/ kW ⋅ h ]

Kc Costo de aumento de capacidad del enfriador. [$ ]

Kd Lotes por año. [lote/año ]

L Espesor de la pared. [m ]

Mi Masa molar del gas i. [ kg/mol ]

mi Masa del gas i. [ kg ]

Ms Masa del sólido seco. [ kg ]

N Tasa de secado por unidad de área super�cial. [ kg/ h ⋅ m2 ]

Nb Cantidad de bandejas. [ Adimensional ]

Nc Cantidad de carros. [ Adimensional ]

Nw Tasa de secado por unidad de área super�cial con el sólido saturado de humedad. [ kg/ h⋅m

2 ]

NTU Número de unidades de transferencia [Adimensional ]

Nomenclatura xv

P Presión total de la mezcla. [ Pa ]

p Presión de vapor del agua en el sólido. [ bar ]

P′ Presión total de la mezcla. [ atm ]

Pi La presión parcial del gas i. [ Pa ]

pw Presión de vapor de equilibrio del agua a la temperatura del sólido. [ bar ]

Q Cantidad total de calor transferido. [ J ]

R Constante universal de los gases. [ 8, 31447 J/mol ⋅ K ]

Ri Constante del gas i. [ J/ kg ⋅ K]

RT Resistencia térmica total equivalente. [℃/W ]

Rt Resistencia térmica. [℃/W ]

S Factor de forma de conducción [m ]

T Temperatura. [℃ ]

t Tiempo. [ h ]

T1 Temperatura del punto donde parte el calor. [℃ ]

T2 Temperatura del punto donde se recibe el calor. [℃ ]

tc Tiempo en la primera etapa de secado. [ h ]

tf Tiempo en la segunda y tercera etapa de secado. [ h ]

Ti Temperatura del gas. [K ]

Ts Temperatura en la super�cie del sólido. [℃ ]

T∞ Temperatura en el �uido lejos de la super�cie del contacto. [℃ ]

Tbℎ Temperatura de bulbo húmedo. [℃ ]

Tbs Temperatura de bulbo seco. [℃ ]

Tt,p Temp. del lado “t” (h=caliente, c=frío) en la posición “p” (e=entrada, s=salida) [℃ ]

T IR Tasa interna de retorno del sistema de recuperación de humedad. [ Adimensional ]

U coe�ciente de transferencia de calor total. [W/m2⋅ ℃ ]

xvi Nomenclatura

V Volumen total de la mezcla. [m3 ]

Vi El volumen molar especí�co del gas i. [m3/mol ]

vi Volumen especí�co del gas i. [m3/ kg ]

VAN Valor actual neto del sistema de recuperación de humedad. [$ ]

W Contenido de humedad porcentual. [ Adimensional ]

X Contenido de humedad relativo. [ gH2O/ gSeco ]

x Posición en la dirección del �ujo de calor. [m ]

X∗ Contenido de humedad relativo de equilibrio. [ Adimensional ]

Xcr Contenido de humedad relativo crítico. [ Adimensional ]

Y Humedad especí�ca. [ kgH2O/ kgAire ]

Capítulo 1

Introducción

1.1. Descripción general

El proyecto consiste en el diseño de un secador de alimentos con el �n de deshidratar piña.El objetivo es que se pueda ingresar hasta una tonelada de fruta fresca en el sistema paraextraerle la humedad y producir piña deshidratada además de recuperar la humedad extraídade la piña por su alto valor económico. Esto incluye el diseño del sistema de distribución deaire, el sistema de calefacción de aire, el sistema de recuperación de humedad, la cámara desecado y bandejas.

El equipo se diseña con la asesoría del Centro Nacional de Ciencia y Tecnología de Alimen-tos, CITA, y tiene como objetivo entregarle el proyecto a este centro para que lo implementeen los sectores productivos de piña para aumentar el valor agregado de los productos que estosexportan. Esto porque la piña deshidratada cuenta con un valor signi�cativamente superior alfruto fresco y cuenta con una menor probabilidad de rechazo.

Se realizaron planos y cotizaciones de los equipos a comprar y del trabajo de manufacturade todo el sistema. Al ser un equipo para manejo de alimentos debe cumplir con estándares decalidad e inocuidad para salvaguardar a los consumidores del producto y evitar repercusioneslegales a las empresas que deseen implementar el proyecto.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Diseñar un secador de piña discontinuo de tipo túnel con una capacidad de secado de unatonelada de producto, que cumpla con normativas sanitarias y que cuente con un sistema derecuperación de la humedad extraída de la fruta.

1

2 1. Introducción

1.2.2. Objetivos específicos

• Determinar cualitativa y cuantitativamente el método óptimo para el calentamiento delaire para el secador a diseñar, asegurando el uso e�ciente de energía.

• Diseñar y seleccionar los componentes del sistema de calentamiento y distribución deaire, del sistema de recuperación de humedad extraída de la fruta y de la cámara de secadonecesarios para reducir la humedad de una tonelada de piña a 10 %.

• Realizar un análisis económico que permita justi�car la selección de los elementos delequipo y establecer el costo total del equipo y el de su operación.

1.3. Justificación

Costa Rica es mundialmente conocido por ser un país agrícola. La producción agropecuariaconsiste en un 8,1 % [13] del producto interno bruto del país y la piña equivale al 31,7 % [13] deesta producción agropecuaria. Esto la hace un producto de alta importancia para el país pero alanalizar las estadísticas de la exportación de piña se observa que únicamente un 0,02 % [14] delas toneladas de piña exportada son de piña deshidratada. Esto sucede aún cuando esta cuentecon un valor 17,26 veces superior por tonelada de producto que la piña fresca exportada [14].Al realizar una comparación en masa con los datos de humedad de [6] esto sería de 2,78 vecespor la misma cantidad de materia prima. Además la piña fresca tiene un mayor porcentajede rechazo debido al crecimiento de hongos por su alta humedad, lo que la hace un productodelicado.

El Centro Nacional de Ciencia y Tecnología de Alimentos, CITA, ha participado en variasiniciativas para aumentar el valor agregado de los productos nacionales y así bene�ciar a laeconomía de Costa Rica. En la actualidad los productores nacionales no cuentan con el accesoa equipos especializados para la deshidratación de sus productos sin incurrir en un excesi-vo costo para la adquisición de equipos internacionales. Esto debido a la inexistencia de unaindustria de manufactura dedicada a la elaboración de estos equipos que cuente con el cono-cimiento técnico para cumplir con las necesidades de los productores nacionales y presenteexperiencia en las prácticas de producción de equipo que cumple normativas de inocuidad dealimentos.

Es por esto que se necesita un equipo de secado que sea e�ciente y de costo bajo, en com-paración con los productos del mercado actual, para el secado de varios productos. Para esteequipo se ha seleccionado la piña por la alta producción que se presenta en el país y por su altoporcentaje de agua, hasta un 85 %. Lo que en principio signi�ca que, si este secador puede so-portar la carga térmica y el manejo de humedad para la piña, es utilizable para otros productoscon ligeras alteraciones al diseño planteado en este proyecto.

1.4. Antecedentes 3

El CITA también ha determinado que existe un alto valor económico en la humedad extraí-da de las frutas que desea secar y estableció que es del interés de los productores nacionalespoder recuperarla por sus propiedades aromáticas y de contenido nutricional para produciruna variada gama de productos derivados como aromas para productos de higiene personal.Es por este motivo que se necesita diseñar un sistema de recolección de la humedad que laextraiga del aire que rechaza el proceso.

El proyecto va a favorecer a los medianos productores de frutas a nivel nacional al aumen-tarle el valor de los productos que exportan. Además se incorpora a la industria metalmecánicaque necesita un fortalecimiento a nivel nacional por falta de experiencia en el área de la in-dustria alimentaria. Todo esto con el �n de mejorar la economía nacional y el nivel de vida delos sectores productivos del país.

1.4. Antecedentes

Las de�ciencias de los productores nacionales del sector agrícola son temas conocidos anivel nacional por cualquier persona informada. En la búsqueda de un proyecto, siempre fueimportante tener en mente un objetivo que bene�cie a la sociedad costarricense por las oportu-nidades que esta le ha brindado a los estudiantes de la Universidad de Costa Rica. Por contactocon la Máster en Ciencias Carmela Velázquez, directora del CITA, se tenía conocimiento de losobjetivos del CITA y se buscó un proyecto que estuviera detenido por la falta de capacidadestécnicas en el área de diseño mecánico. Es aquí donde ella re�rió al Ing. Wilfredo Flores queindicó el interés de la industria nacional en los equipos de secado y la necesidad del diseño deequipos de calidad, que puedan ser usados por los productores nacionales por lo que deben serde costos accesibles.

Al realizar una investigación de los productos que forman parte del mercado nacional,no se encontraron equipos que cumplen con las características deseadas para este procesodeterminándose que existe una necesidad de este tipo de productos en la industria nacional.En el marco de investigación académica del tema, se encontró una tesis [6] de la Escuela deIngeniería Mecánica en donde se realiza un diseño similar pero a una escala inferior y sin elsistema de recuperación de humedad, equipo que las grandes empresas de diseño de secadoresproveen debido al alto valor económico de este extracto. También existen tesis en el área desecado de productos con menos humedad como es el caso del café [5], también de la Escuelade Ingeniería Mecánica.

4 1. Introducción

1.5. Áreas de pertinencia temática

El proyecto incurre en una variedad de áreas del conocimiento de un Ingeniero Mecánico,de las cuales se destacan pero no se limitan a la mecánica de �uidos, termodinámica, transfe-rencia de calor, estabilidad de cuerpos deformables, análisis de falla, documentación técnica ylenguajes grá�cos.

1.6. Metodología

• Recopilación bibliográ�ca de los temas a tratar. Se realizó una recolección de los proyec-tos de tesis anteriores que tratan con temáticas similares además de estudiar patentesy equipos que se encuentran disponibles en el mercado para comprender los elementosfundamentales de los secadores y las prácticas usuales. También, se realizó una búsquedade los métodos de diseño para los elementos que se deben dimensionar en el proyecto.Además, se investigaron las normativas vigentes en el tema de seguridad alimentaria yprácticas recomendadas en el diseño de equipos de tipo alimentario.

• Visitas y entrevistas. Se realizaron visitas a las empresas productoras de piña que se pue-den bene�ciar de este tipo de equipos para comprender las características de los seca-dores que necesita el mercado nacional. También, se entrevistó a técnicos especializadosen el proceso de secado y en las etapas del proceso desde un punto de vista alimentariopara determinar los parámetros óptimos de diseño del sistema.

• Realización de los cálculos de diseño. Utilizando la teoría recopilada y el conocimiento delas diferentes fuentes se procedió a realizar los diferentes cálculos que se requieren parael diseño del secador, dentro de los cuales se incluyen caudales de aire, carga térmica,soporte estructural, espesores de pared y tamaño de los carritos, entre otros.

• Selección de equipos. Una vez realizados los cálculos se cotizó con distribuidores de equi-pos para los que no es viable fabricarlos y se encuentran los equipos óptimos para elproceso disponibles en el mercado.

• Elaboración de planos. Con base a los cálculos realizados y los equipos seleccionados seelaboraron los planos del equipo con las observaciones pertinentes para cumplir con lasnormativas y la integridad del sistema.

1.7. Alcance y limitaciones 5

1.7. Alcance y limitaciones

El proyecto está centrado en el diseño mecánico de un secador de tipo túnel para deshidra-tar piña. La capacidad del mismo es de una tonelada de fruta fresca, con el área en bandejasque esto represente. El equipo se podrá usar para otras frutas siempre y cuando no presentendi�cultades por la velocidad del aire, temperatura del aire y tiempos de operación, pero no estácontemplado en el trabajo la selección ni diseño de equipo dedicado a otras frutas.

El diseño mecánico incluye los planos del equipo y la selección de los elementos a comprarademás de un estudio del costo de la elaboración y la operación del equipo. Esto incluye laselección del método de calentamiento del aire entre una serie de opciones como solar, vapor,eléctrico, gas licuado de petróleo, por un ciclo de calentamiento termodinámico o una mezclade múltiples métodos. La selección del método a utilizar está basada en el monto de inversióny la disponibilidad de la energía. Esto incluye consultas a especialista con conocimiento deempresas que se consideren como posibles consumidores de este producto, para comprenderla disponibilidad para implementar las diferentes fuentes de energía y así seleccionar el métodoque mejor se adapte a la industria nacional.

Parte fundamental del diseño es la selección del método de condensación de la humedaddel aire de salida, incluyendo el diseño del equipo y la cotización del costo del mismo. Estoincluye utilizar el calor extraído del aire con humedad para mejorar la e�ciencia del equipo.Todo esto solo trabajando con el diseño y selección de los componentes mecánicos, sin trabajarlos componentes de control del proceso.

El diseño incluye las dimensiones de las bandejas de secado y la cámara de secado con eldiseño de las etapas por las que atraviesa el aire además de un estudio psicrométrico del aireen el proceso. También, se incluye un estudio de las propiedades de las paredes de la cámara desecado con la selección del método de aislamiento óptimo en precio y conservación del calora lo interno de la cámara de secado.

Durante el proceso de diseño se consultó con un especialista en la manufactura para realizarmodi�caciones al diseño que permitan elaborar una propuesta realizable para los métodos demanufactura que se encuentran en el país. Este especialista cuenta con experiencia en el temay con conocimiento de las prácticas usuales de las empresas metalmecánicas nacionales.

Las limitaciones del proyecto incluyen la obtención de normativas como la del NFS 2 yla NFS 51 que tienen un costo de $105 cada una para poder tener referencia de las prácticasrecomendadas para los equipos y los materiales de construcción de equipos para el manejoalimentario.

No se cuenta con la posibilidad de realizar prototipos del sistema por una situación econó-mica y de tiempo para cumplir con los plazos para la presentación del Trabajo Final de Gradua-ción. Por lo tanto queda en manos de las partes interesadas la implementación del proyecto eldiseño de pruebas y correcciones en la puesta en marcha que son inherentes a cualquier diseñomecánico, en especial los detalles en áreas de transferencia de calor y mecánica de �uidos.

6 1. Introducción

1.8. Patrocinio y terceras partes interesadas

El principal patrocinador de este proyecto es el CITA, Centro Nacional de Ciencia y Tecno-logía de Alimentos de la Universidad de Costa Rica, que pertenece a la institución Universidadde Costa Rica. Donde su misión describe el área de actividades principales que realiza “Inves-tigar y desarrollar conocimientos en ciencia y tecnología de alimentos en estrecha vinculacióncon el sector agroalimentario para innovar, elevar su competitividad y generar alimentos dealta calidad” [11]. Se ubica en la sede Rodrigo Facio de la Universidad de Costa Rica en elárea dedicada a la Facultad de Ciencias Agroalimentarias en donde el contacto al centro deinvestigación es el Ing. Wilfredo Flores.

Capítulo 2

Marco Teórico

2.1. El proceso de secado

El secado se de�ne como el proceso en el cual se utiliza energía térmica para removersubstancias volátiles y así obtener un producto �nal sólido [22]. El secado térmico involucrados procesos simultáneos, el intercambio de calor del ambiente a las partículas de agua delproducto y la transferencia de estas partículas al ambiente por un proceso evaporativo [22]. Elintercambio de calor puede ser por conducción, convección y de radiación, pero en el caso delproyecto a trabajar, se estudia el proceso con transferencia de calor principalmente convectivo.La extracción de humedad de la super�cie del producto depende de las características del aire,mientras que la extracción interna de la humedad depende principalmente de las característicasfísicas del producto. El tiempo que tarda el calor en alcanzar el interior del producto estádirectamente relacionado a la forma del producto y su capacidad térmica, características quese detallan en el subcapítulo 2.2 para el producto en estudio.

El proceso de extracción en la super�cie es intuitivo en un sistema que utiliza mecanis-mos de convección para suministrar el calor, debido a que este aire calienta el producto y a lavez remueve las partículas de agua del producto. El desplazamiento de estas partículas desdeel interior utiliza una serie de mecanismos que varían signi�cativamente respecto la forma ycomposición del producto. Los mecanismos de transporte más usuales se mencionan a conti-nuación [22]:

• Difusión líquida

• Difusión de vapor

• Difusión de Knudsen

• Difusión de Super�cie

• Por diferencia de presión hidroestática

7

8 2. Marco Teórico

Se pueden presentar múltiples mecanismos en un proceso de forma simultánea. Los prin-cipales mecanismos que afecten el proceso a estudiar serán detallados posteriormente. Comose mencionó previamente, se cuentan con dos etapas de un proceso de secado que se puedenestudiar de forma independiente, el secado exterior y el secado interior.

2.1.1. Proceso de secado exterior

El secado de las capas exteriores del producto se encuentra directamente relacionado conlas características del aire que se utiliza para secar este producto. Para estos procesos las ca-racterísticas principales a considerar son la temperatura, la velocidad y dirección del �ujo deaire, la forma del producto y el elemento de soporte del mismo [22]. Se debe considerar que unexceso en la velocidad de secado exterior lleva a la deformación del producto o la formaciónde grietas por lo que es un proceso delicado que debe ser cuidadosamente estudiado.

La psicrometría del aire cuenta con un papel fundamental en el secado externo debido aque son las propiedades del aire que se encuentra en contacto con el producto las que de-terminan la tasa de extracción de humedad del mismo. El aire húmedo y su caracterizaciónincluye una serie de propiedades fundamentales, las cuales se muestran a continuación consus correspondientes aproximaciones matemáticas.

Equilibrio entre vapor y líquido

Lo primero que se debe de�nir es el concepto de aire seco, aire que no contiene vapor deagua disuelto. Esto es importante ya que uno de los supuestos principales de la psicrometríaes que el aire húmedo es un mezcla entre vapor de agua y aire seco. Es conveniente realizaresta suposición debido a que la composición del aire seco se puede considerar invariante enun proceso denominado psicométrico [8].

Los líquidos al estar en presencia de un gas seco tienden a evaporarse. Esto va a generar unaumento en la concentración del líquido en el estado gaseoso, que genera una presión, conocidacomo presión de vapor (PW ), sobre el líquido y que afecta la tasa del proceso evaporativo. Alaumentarse la presencia del líquido gaseoso en el ambiente se reduce dicha tasa de evaporaciónhasta que se alcance una presión crítica denominada presión de vapor en saturación (P 0

W) [22].

Al trabajarse con �uidos lejos de sus presiones y temperaturas críticas se considera quetanto el agua y el aire se comportan como gases ideales, por lo que cumplen con la ecuación(2.1) [8], que es la Ley de los Gases Ideales. Se utilizan los subíndices “G” y “W” para laspropiedades del aire seco y vapor de agua en sustitución del subíndice “i” presente en lasecuaciones.

2.1. El proceso de secado 9

Pi ⋅ Vi = R ⋅ Ti ⇔ Pi ⋅ V =

mi

Mi

⋅ R ⋅ Ti ⇔ Pi ⋅ V = mi ⋅ Ri ⋅ Ti ⇔ Pi ⋅ vi = Ri ⋅ Ti (2.1)

Donde:

• Pi: La presión parcial del gas i. [ Pa ]

• Vi: El volumen molar especí�co del gas i. [m3/mol ]

• V : Volumen total de la mezcla. [m3 ]

• vi: Volumen especí�co del gas i. [m3/ kg ]

• R: Constante universal de los gases. [ 8, 31447 J/mol ⋅ K ]

• Ri: Constante del gas i. [ J/ kg ⋅ K]

• Ti: Temperatura del gas. [K ]

• Mi: Masa molar del gas i. [ kg/mol ]

• mi: Masa del gas i. [ kg ]

Relacionando el aire seco con la humedad que este presenta, se de�ne la humedad especí�cacomo se muestra en la ecuación (2.2) y la humedad relativa como se muestra en la ecuación(2.3).

Y =

mW

mG

(2.2)

Donde:

• Y : Humedad especí�ca. [ kgH2O/ kgAire ]

=

PW

P0

W

(2.3)

Donde:

• : Humedad relativa. [Adimensional]

10 2. Marco Teórico

Se utiliza la ley de Dalton, ecuación (2.4), para calcular la presión del aire húmero a partirde la presión generada por el agua y el aire seco individualmente.

P = PG + PW (2.4)

Donde:

• P : Presión total de la mezcla. [ Pa ]

Al desarrollar las expresiones utilizando la ley de gases ideales de la ecuación (2.1) y la leyde Dalton de la ecuación (2.4) se obtiene la ecuación (2.5) [22].

Y = 0, 622

⋅ P0

W

P − ⋅ P0

W

(2.5)

El volumen especí�co que ocupa el aire húmedo es un parámetro importante debido a quemuestra una relación entre la masa del aire con su volumen. La ecuación (2.6) muestra comose determina el volumen especí�co con el subíndice “H” para indicar que es una propiedad delaire húmedo [22].

vH = 0,082(

1

MG

+

Y

MW)

T

P′

(2.6)

Donde:

• P ′: Presión total de la mezcla. [ atm ]

Los procesos que involucran aire húmedo usualmente necesitan que se encuentre de�nidala entalpía de este aire, ya que esta propiedad es la que indica la cantidad de energía con laque cuenta la mezcla. La entalpía al ser una propiedad extensiva y suponiendo que la entalpíaresidual se aproxima a cero, entonces se pueden sumar los aportes a la entalpía total del aguay del aire seco como se muestra en la ecuación (2.7) [22].


ℎH = ℎG + Y ⋅ ℎW (2.7)

Donde:

• ℎi: Entalpía especí�ca del gas i. [ kJ/ kg ]

El cálculo de la entalpía individual del vapor de agua y del aire es un proceso que involucraparámetros de tablas y aproximaciones, por lo que es mejor realizar el cálculo con software. Elsoftware que se va a utilizar es el proporcionado por WolframAlpha [20]. Esta ayuda tambiénindica otra serie de propiedades que pueden ser importantes en algunos cálculo a futuro. Cuan-do no sea posible realizar el cálculo utilizando software, se van a utilizar tablas de propiedadesy procesos de interpolación.

Para determinar las condiciones del aire de secado se debe comprender que la super�ciedel producto se va a equiparar con el aire del proceso en una etapa transitoria inicial. Es poresto que el aire exterior no debe superar una temperatura máxima permitida por la piña nipresentar un contenido de humedad inferior a la que la piña permita, ya que esto va a generarconsecuencias negativas en sus características físicas [22] y en los procesos de extracción dehumedad interna [6].

2.1.2. Proceso de secado interior

Los mecanismos de secado interno son los más importantes en un proceso de secado por-que son los que determinan los tiempos de secado de un producto. Los mecanismos principalesya fueron mencionados al inicio de este capítulo, pero la determinación del aporte de cada unode estos al proceso de extracción de humedad se vuelve un proceso muy complicado. Más ade-lante, se estudian los mecanismos principales que afectan a las frutas, en particular a la piña.Al secarse el producto, este empieza a generar un gradiente de humedad y temperatura en suinterior. La gradiente de humedad es la que produce algunos de los principales mecanismosde secado ya que moviliza la humedad de los espacios con más humedad a los que contenganmenos, por ende del interior hacia el exterior. La temperatura al interior del producto es fun-damental para aumentar la energía cinética de las partículas de agua y para generar gradientesen la presión de vapor que generen un desplazamiento del agua hacia el exterior [22].

Con el �n de eliminar el aporte del cambio de volumen, debido a que los materiales usual-mente se expanden al aumentar su contenido de humedad, se pre�ere utilizar la relación de hu-medad respecto a material seco en el sólido. Este concepto se de�ne con la ecuación (2.8) [22].


X =

W

1 −W

(2.8)

Donde:

• X : Contenido de humedad relativo. [ gH2O/ gSeco ]

• W : Contenido de humedad porcentual. [ Adimensional ]

Es importante de�nir el valor del contenido de humedad relativo de equilibrio, el cual indicael contenido de humedad en el que no existe una transferencia de agua con el ambiente, X ∗.Este varía con respecto a la humedad relativa del ambiente y la temperatura del sólido. Elcomportamiento típico se re�eja en la Figura 2.1. En esta se separa en secciones A, B y C ala curva. La sección A es cuando se generan capas monomoleculares de agua al interior delsólido. En la sección B se generan capas multimoleculares de agua en el interior del sólidoy en la sección C se empieza a generar un proceso de condensación capilar que aumenta elcontenido de humedad del sólido. Nótese también la presencia de una curva de absorción yotra de desorción, esto es conocido como histéresis. Este fenómeno se debe a la necesidadde una diferencia de presión de vapor entre los poros del sólido y sus alrededores para queexiste un desplazamiento del agua. La presión debe ser superior en el poro con respecto a susalrededores en el proceso de desorción mientras que superior en los alrededores con respectoal poro en el proceso de absorción. Esta diferencia es la que crea comportamientos diferentesal humedecerse el sólido o al deshumedecerse [22].

El efecto de la temperatura sobre la humedad del sólido también es un factor a considerar.Se logra apreciar el aporte que tiene la humedad relativa y la temperatura del aire sobre elcontenido de humedad del sólido en la Figura 2.2. La relación entre estas tres propiedades esfundamental para comprender el comportamiento de los sólidos en estado estacionario, ya quedicho comportamiento va a ser dependiente de las condiciones ambientales.


Figura 2.1: Isoterma del contenido de humedad contra humedad relativa del ambiente [21].

Figura 2.2: Relación entre contenido de humedad, humedad relativa y temperatura [22].


2.1.3. Mecánica de secado

Al combinar los procesos de secado interno y externo se crean cinéticas de secado. Estastoman en consideración principalmente la variación de la humedad del sólido con respecto altiempo. Como se indicó en partes previas, el secado es dependiente de factores como la hume-dad del aire exterior, la temperatura del sólido y la velocidad del aire exterior. Varios de estosparámetros son también dependientes del tiempo, por lo que se vuelve un proceso complejoque se debe seccionar manteniendo algunos de estos parámetros constantes y variando otros.Al mantener las condiciones del aire constantes, se crean curvas de secado como la que semuestra en la Figura 2.3 donde la tasa de secado se puede indicar en kg/ h. Este proceso sedivide en 3 etapas principales, la primera se caracteriza por contar con la presencia de hume-dad en toda la super�cie exterior del sólido. Esta humedad en la super�cie es un requisito paraque se de el proceso de difusión del agua hacia el exterior. Al empezarse a generar áreas secasen la super�cie del sólido se ingresa en la segunda etapa de secado. El aporte de la difusiónse va reduciendo al disminuirse el área húmeda en la super�cie del producto hasta que dejade ser factor cuando se seca por completo dicha super�cie. En este momento se considera queinicia la tercera etapa de secado donde otros mecanismos son los encargados de seguir redu-ciendo la humedad en el sólido pero a una tasa considerablemente inferior. La transición entrela segunda y tercera etapa puede no ser tan visible como se muestra en la Figura 2.3 [22].

Figura 2.3: Etapas del proceso de secado [22].

Con el �n de estandarizar las grá�cas y hacerlas comparables entre productos se establecenparámetros normalizados, contenido de humedad característico y tasa de secado característica.Estos son mostrados en el conjunto de ecuaciones (2.9) [22].


� =

X − X∗

Xcr − X∗

f =

N

NW

(2.9)

Donde:

• X ∗: Contenido de humedad relativo de equilibrio. [ Adimensional ]

• Xcr : Contenido de humedad relativo crítico. [ Adimensional ]

• �: Contenido de humedad característico. [ Adimensional ]

• N : Tasa de secado por unidad de área super�cial. [ kg/ h ⋅ m2 ]

• Nw : Tasa de secado por unidad de área super�cial con el sólido saturado de humedad.[ kg/ h ⋅ m2 ]

• f : Tasa de secado característica. [ Adimensional ]

El contenido de humedad crítico, Xcr , es determinado como el contenido de humedad cuan-do el sólido pasa de la primera etapa de secado a la segunda. La tasa de secado se determinacon la ecuación (2.10). La Figura 2.4 muestra la relación típica entre el contenido de humedady la tasa de secado a condiciones constantes en el aire de secado.

N = −

Ms

As

dX

dt

(2.10)

Donde:

• t : Tiempo. [ h ]

• As : Área super�cial del sólido. [m2 ]

• Ms : Masa del sólido seco. [ kg ]


Figura 2.4: Curva de secado a condiciones constantes [21].

Existen modelos matemáticos para describir el comportamiento del secado, pero cuentancon la limitante de que son variables para cada muestra y el modelo es obtenido hasta despuésde realizar pruebas de secado sobre la muestra. Este es el caso del conjunto de ecuaciones(2.11) [21]. Donde el subíndice 1 indica el valor inicial y 2 el valor �nal. En estas se puedesuponer que el comportamiento de las frutas es igual para todas las muestras, lo cual es inciertopero brinda una aproximación al resultado. La utilidad de la ecuación entra en duda una vezelaboradas las curvas que se muestran en la sección 2.2.

tc =

Ms (X1 − X2)

As ⋅ Nc

; X > Xc

tf =

Ms (X1 − X2)

AS (N1 − N2)

ln[

N1

N2];X

∗< X < Xc

(2.11)

Donde:

• tc : Tiempo en la primera etapa de secado. [ h ]

• tf : Tiempo en la segunda y tercera etapa de secado. [ h ]


2.1.4. Presencia de Microorganismos

Uno de los principales aportes del proceso de secado es la reducción del crecimiento micro-biológico en la fruta y por ende en el aumento en el tiempo de almacenamiento de la misma.Para determinar si es posible el crecimiento de los diferentes tipos de microorganismos se uti-liza la parámetro conocido como actividad del agua, aw , que se de�ne en la ecuación (2.12) [21].

aw =

p

pw

(2.12)

Donde:

• p: Presión de vapor del agua en el sólido. [ bar ]

• pw : Presión de vapor de equilibrio del agua a la temperatura del sólido. [ bar ]

• aw : Actividad del agua. [ Adimensional ]

Los microorganismos cuentan con un valor de actividad del agua en el cual inician a crecer.Si el sólido presenta una actividad del agua inferior al valor de actividad de agua de dicho mi-croorganismo entonces estos no pueden crecer. Una lista de los valores de actividad del aguamínima se presenta en el Cuadro 2.1. Existe una relación entre el contenido de humedad rela-tivo y la actividad del agua con la que se puede determinar el contenido de humedad requeridopara evitar el crecimiento microbiano. Dicha relación se muestra en la Figura 2.5 [21].

Tabla 2.1: Actividad mínima del agua para el crecimiento microbiano [21].

Microorganismo aw

Organismos que degradan la carne 0,98Esporas de Pseudomonas y Bacilus Ceres 0,97Esporas de B. subtilis y C. botulinum 0,95C. botulinum y Salmonella 0,93Bacterias 0,91Levaduras 0,88Aspergillus niger 0,85Mohos 0,80Bacterias haló�las 0,75Hogos xeró�los 0,65Levaduras osmó�las 0,62


Figura 2.5: Actividad del agua en relación al contenido de humedad relativo [21].

2.2. Caracterización de la piña a tratar

La piña es una fruta tropical de elevada producción a nivel mundial. Originaria de Brasily propagada al resto del mundo, se cultiva en regiones tropicales y subtropicales. “La piñapertenece a la familia de las bromelias. La planta es herbácea perenne. Las yemas auxiliaresdel tallo desarrollan plantas nuevas después de recogerse del fruto” [19]. La variedad mássembrada del país es la Cayena Lisa por lo que va a ser el objeto de estudio del proyecto. Lapiña se cosecha aproximadamente 20 meses después de su siembra. La maduración a la hora dela cosecha depende del uso al que se destine la fruta [19]. Se recomienda el proceso de secadocon aire para la piña de grado de maduración 1 y 2 [4]. Esto signi�ca que es piña donde losconocidos como ojos de la misma cuentan con presencia de coloración amarillenta pero en unmáximo del 40 % [19].

Con el �n de realizar las curvas de secado se de�nió el método de troceado para elaborarlas muestras, el diseño se muestra en la Figura 2.6. Esta es una práctica común en la industriapor lo que valida los datos en relación a lo que el mercado necesita. El espesor utilizado paralas pruebas fue de 1, 5 cm. Este es un valor muy importante ya que si los trozos de piña sonmuy gruesos se crea una gradiente de humedad signi�cativa en el producto que aumenta eltiempo de secado de forma considerable. Si los trozos son muy delgados se mejora mucho eltiempo de secado pero se vuelve ine�ciente de un punto de vista comercial, de transporte yalmacenamiento además de que se compromete la integridad física del producto [4].

2.2. Caracterización de la piña a tratar 19

Figura 2.6: Troceador de piña (Elaboración propia).

Las curvas de secado de la variedad Cayene Lisa se muestran en la Figura 2.7. La altavariabilidad de la humedad inicial en la piña hace que sea necesario normalizar el eje de lasordenadas en la Figura 2.7 por lo que en la Tabla 2.2 se muestran los contenidos de humedadrelativos iniciales para cada una de las muestras. Nótese la poca diferencia que produjo lahumedad especí�ca del aire en el comportamiento del secado en comparación con el aportesigni�cativo que brindó la variación en la temperatura del aire. Por otro lado la variación enlas humedades iniciales si tiene un aporte importante al tiempo total de las pruebas pero estano es una variable que se pueda controlar directamente ya que depende de la materia prima.Las condiciones ideales de secado se presentan con una temperatura del aire de TH = 60℃,una humedad especí�ca de 10 gH2O/ kgAire 6 Y 6 50 gH2O/ kg, una velocidad del aire de2, 5m/ s y se recomienda un contenido de humedad porcentual �nal de W = 10%. Bajo estascondiciones se espera que la piña esté seca en un tiempo de aproximadamente 8, 5 h [4].

Tabla 2.2: Contenido de humedad inicial de las muestras (Datos de [19]).

T (℃) Y ( gH2O/ kgAire) X (Adimensional)

50 10 4,87550 7,130

60 10 8,95050 6,524

70 10 5,88250 6,386


Tiempo (h)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

X/X

o (

Adim

ensio

nal)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

T=50°C, Y=0,01

T=50°C, Y=0,05

T=60°C, Y=0,01

T=60°C, Y=0,05

T=70°C, Y=0,01

T=70°C, Y=0,05

Figura 2.7: Curvas de secado de la piña con velocidad del aire de 2, 4m/ s (Datos de [19]).

2.3. Secadores de túnel

El secador de túnel es un equipo simple que tiene la función de secar productos cortados enpiezas. Estos secadores operan en lotes de producto que se sustituyen en un periodo de tiempodeterminado por el tiempo de secado de dicho producto [27]. Un esquemático del equipo semuestra en la Figura 2.8.

Figura 2.8: Esquemático de un secador de túnel [27].

2.3. Secadores de túnel 21

Existen patentes de este tipo de equipos de hace muchos años. De hecho un diseño muysimilar se encuentra en la patente de Jesse Reed [26]. El diseño se muestra en la Figura 2.9.Nótese las similitudes con el esquemático que se muestra en la Figura 2.8, solo varía el posicio-namiento de algunos elementos. Este tipo de secador se caracteriza por una serie de sistemasque se describen a continuación.

Figura 2.9: Secador de túnel de 1945 [26].


2.3.1. Sistema de desplazamiento de aire

El aire debe �uir por las bandejas a una cierta velocidad que son determinadas por el pro-ducto y por la velocidad a la que se quiere secar dicho producto. Se cuenta con un ventiladorque se encarga de desplazar el aire para que �uya por las bandejas del secador. Este ventiladornecesita de un motor para operar y también de un sistema de transmisión para que el motorpueda operar el ventilador. Se necesita también de elementos direccionadores de �ujo para queel aire se distribuya uniformemente por las bandejas y para evitar estancamientos de aire quepuedan signi�car puntos de precipitación de humedad, baja temperatura o exceso de tempe-ratura. El uso de reguladores de �ujo es necesario para regular la relación de aire recirculadoy aire ingresado del exterior. Esta relación es fundamental para mantener la temperatura yhumedad óptimas para el secado.

2.3.2. Sistema de calentamiento

Este sistema cuenta con un intercambiador de calor encargado de elevar la temperatura delaire que se va a hacer pasar por el producto. La temperatura debe ser la óptima para se tome elmenor tiempo posible en el secado de los lotes de producto sin incurrir en daños al productopor exceso de temperatura. La fuente de energía varía dependiendo de la disponibilidad perousualmente se utiliza vapor proveniente de una caldera. Otro método es el de uso de GLPpero esto tiende a elevar los costos de operación ya que la transferencia de calor se reduceconsiderablemente si se usa aire en las tuberías de los intercambiadores de calor. También esposible utilizar calentadores eléctricos que son muy e�cientes energéticamente pero el costode la electricidad es una limitante de este sistema. Un elemento importante de este sistema esel intercambiador de calor. Su forma y materiales va a depender de la fuente de energía que seesté utilizando pero su función es entregarle la energía térmica al aire que está circulando.

2.3.3. Sistema de remoción de humedad

No todos los secadores de túnel cuentan con este equipo, pero como indicó el Ing. WilfredoFlores, es un equipo que puede brindar subproductos de un alto valor económico. El aire quesale del equipo se encuentra a una alta temperatura y con mayor contenido de agua que eloriginal. Al enfriarse hasta sobrepasar el punto de rocío, el agua se va a condensar. Para lograresto se necesita un equipo de extracción de calor, que puede ser con agua helada o algúnrefrigerante. El equipo entrega el exceso de calor a un tanque, al ambiente por medio de unatorre de enfriamiento o al sistema de calentamiento como una etapa de precalentamiento.A esto se le suma un intercambiador de calor y una bandeja de recolección de la humedadcondensada que se lo entrega a un sistema de almacenamiento.

2.4. Mecanismos de transferencia de calor que intervienen en el diseño del secador 23

2.3.4. Sistema de manejo de la piña

La piña debe ser transportada al secador y extraída del mismo de forma e�ciente y sencillapara los operadores. Este tipo de secadores utilizan equipos conocidos como carros confor-mados por múltiples bandejas de producto. Las dimensiones y la cantidad de bandejas sondependientes de la cantidad de producto que se desee secar, al igual que la cantidad de carros.Las bandejas deben poder soportar el peso del producto además de favorecer el intercambiode calor entre el aire y la fruta.

2.3.5. Estructura del secador

El secador debe poder permitir el ingreso y salida de los carros de forma e�ciente. Tambiéndebe poder soportar los equipos que se encuentren sobre el nivel del suelo, aislar el productodel ambiente y facilitar la circulación de aire. Para el diseño estructural se va a hacer referen-cia al Beer [3] aunque la principal herramienta para el diseño de estos elementos va a ser elsoftware Comsol Multiphysics. Esta herramienta utiliza métodos de elementos �nitos para elcálculo de esfuerzos en los materiales, vibraciones, deformaciones, entre otros. Los elementosde este sistema son las puertas del secador, los accesos a los equipos, las entradas y salidas deaire, las paredes que separan las bandejas de las condiciones exteriores y las vigas y columnasencargadas de soportar el equipo.

2.3.6. Proceso psicrométrico en un secador de túnel

El secador de túnel cuenta con pocas etapas ya que únicamente calienta el aire y posterior-mente se produce un enfriamiento adiabático, en un caso ideal, por la humedad que recoge elaire del producto [27]. La Figura 2.10 muestra el proceso de secado con el punto “A” siendo elaire externo, el “B” es el aire después de ser calentado y el “C” es la salida del secador.

2.4. Mecanismos de transferencia de calor que intervienen en el dise-ño del secador

Existen tres mecanismos básicos de transferencia de calor, conducción, convección y ra-diación [7] . En el proceso a estudiar se presentan los 3 mecanismos pero con la conduccióny convección de forma signi�cativa y la radiación tomando un papel secundario. Se estudianlos primeros dos a profundidad por este motivo. Las paredes del secador deben evitar quela energía que se ingresa por el intercambiador de calor no se utilice en la fruta, por eso seestudian los mecanismos de transferencia de calor que actúan sobre las paredes. También esimportante trabajar con los procesos de convección que se dan tanto en el intercambiador decalor, el recuperador de humedad con las paredes del equipos y si es necesario directamentecon la fruta.


Figura 2.10: Psicrometría del secador de túnel [27].

2.4.1. Conceptos básicos

Lo primero que se debe comprender es el concepto de las leyes de la termodinámica. Sonprincipios a los que no se les han encontrado excepciones y rigen el concepto de energía [7].Lassiguientes son las leyes de la termodinámica [8]:

• Ley cero de la termodinámica: Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con untercero, están en equilibrio térmico entre sí.

• Primera ley de la termodinámica: La energía no se puede crear ni destruir durante unproceso, solo puede cambiar de forma.

• Segunda ley de la termodinámica: Es imposible que un depósito que opera en un cicloreciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.

• Tercera ley de la termodinámica: La entropía de una sustancia pura cristalina a una tem-peratura de cero es cero.

Con las leyes de la termodinámica de�nidas se debe considerar lo que signi�ca el calor.Este se de�ne como “la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro comoresultado de la diferencia de temperatura” [7]. Usualmente los mecanismos de transferenciade calor van a determinar la tasa de transferencia de calor entre dos objetos, Q. La cantidadtotal de calor que se intercambió va a estar de�nido entonces en la ecuación (2.13) [7].


Q =∫

t2

t1

Q dt (2.13)

Donde:

• Q: Cantidad total de calor transferido. [ J ]

• Q: Tasa de transferencia de calor. [W ]

La tasa de transferencia de calor es conveniente expresarla por unidad de área perpendicu-lar a su dirección debido usualmente los métodos de cálculo de la tasa de transferencia de calorson directamente proporcionales al área perpendicular. Esto se conoce como �ujo de calor yse de�ne en la ecuación (2.14) [7].

q =

Q

Ap

(2.14)

Donde:

• Ap: Área equivalente perpendicular a la dirección del �ujo de calor. [m2 ]

• q: Flujo de calor. [W/m2 ]

La resistencia térmica es un concepto utilizado para simpli�car los planteamientos de losproblemas de transferencia de calor. Se de�ne como la oposición al �ujo de calor. Es un paraleloa la resistencia eléctrica que se fundamenta en el hecho de que los mecanismos de transferenciade calor, en especial los de conducción y convección, presentan un comportamiento estacio-nario de la forma que se muestra en la ecuación (2.15). Al utilizarse esta expresión se permitecon�gurar elementos que participan en el proceso de transferencia de calor como si fueraneléctricos, tomando ventaja de las ecuaciones lineales que caracterizan los procesos eléctri-cos. Se debe recalcar que las resistencias térmicas son variables en procesos no estacionariosy también dependen de la con�guración física de los objetos al igual que del material. [21].


Q =

T1 − T2

Rt

(2.15)

Donde:

• Rt : Resistencia térmica. [℃/W ]

• T1: Temperatura del punto donde parte el calor. [℃ ]

• T2: Temperatura del punto donde se recibe el calor. [℃ ]

Otra expresión que se suele utilizar es la del coe�ciente de transferencia de calor total,“U”. Este es útil en aplicaciones de intercambiadores de calor donde se quiere determinar lascaracterísticas del sistema independientemente del área total.

U =

1

RT ⋅ Ap

(2.16)

Donde:

• RT : Resistencia térmica total equivalente. [℃/W ]

• U : coe�ciente de transferencia de calor total. [W/m2⋅ ℃ ]

En este proyecto se evita la incorporación de conceptos de transitoriedad en el caso de losmecanismos de transferencia de calor ya que involucra cálculos que pueden ser complejos yno son de vital importancia en el diseño del secador.

2.4.2. Conducción térmica

La conducción térmica es el proceso de transferencia de calor que se debe a la interacciónentre partículas adyacentes. Las más energéticas le entregan energía en forma de calor a losmenos energéticas. Es un proceso que se presenta en sólidos, líquidos y gases aunque en lí-quidos y gases se conduce el calor debido a colisiones y la difusión de las moléculas mientrasque en los sólidos es un fenómeno principalmente generado por la vibración de las moléculas.La ecuación que la describe se conoce como la Ley de Fourier de la conducción de calor y seexpresa en la ecuación (2.17) [7].


Q = −k ⋅ Ap

dT

dx

(2.17)

Donde:

• k: Conductividad térmica. [W/m ⋅ K ]

• x : Posición en la dirección del �ujo de calor. [m ]

• T : Temperatura. [℃ ]

La resistencia térmica en una pared se describe en la ecuación (2.18) [21].

Rt =

L

k ⋅ Ap

(2.18)

Donde:

• L: Espesor de la pared. [m ]

Usualmente los elementos de estudio no comprenden únicamente una super�cie plana, sinocon�guraciones complejas de paredes planas, esquinas y super�cies cilíndricas o esféricas.Todo esto se estudia utilizando el factor de forma de conducción (S), cuya relación con laecuación (2.17) en estado estacionario se muestra en la ecuación (2.19) [7].

Q = k ⋅ S (T1 − T2) (2.19)

Donde:

• S: Factor de forma de conducción [m ]


2.4.3. Convección térmica

La convección térmica es el método de transferencia de calor entre una super�cie de unsólido y un �uido adyacente. El mecanismo mezcla la conducción térmica con el movimientode las partículas en los �uidos. Es un proceso que puede parecer muy complejo debido a quecaracterizar el movimiento de las partículas a lo interno de un �uido es un proceso que dependede muchas variables, pero se ha determinado que el �ujo de calor es proporcional a la diferenciade temperaturas entre el sólido y el �uido. Bajo este principio se de�ne la Ley de Newton delenfriamiento que se muestra en la ecuación (2.20) [21].

Q = ℎ ⋅ Ap (Ts − T∞) (2.20)

Donde:

• ℎ: Coe�ciente de transferencia de calor por convección. [W/m2⋅ ℃ ]

• Ts : Temperatura en la super�cie del sólido. [℃ ]

• T∞: Temperatura en el �uido lejos de la super�cie del contacto. [℃ ]

La resistencia térmica en un proceso de convección se muestra en la ecuación (2.21)

Rt =

1

ℎ ⋅ Ap

(2.21)

Para determinar los coe�cientes de transferencia de calor por convección se utilizan com-plejos métodos matemáticos. Los fabricantes de los equipos como intercambiadores de calorusualmente brindan su�ciente información para determinar dicho coe�ciente por lo que no seva a profundizar en este tema.

2.4.4. Eficiencia de los intercambiadores de calor

Dentro de los equipos más importantes del proyecto se encuentran los intercambiadoresde calor. Estos utilizan principios de conducción y convección para transferir energía calóricade un �uido a mayor temperatura a otro de menor temperatura. El parámetro más importantea nivel ingenieril y de costos es la e�ciencia de dichos intercambiadores, ya que una menore�ciencia genera desperdicio de energía y a un mayor costo de operación del equipo. En estecaso, debido a las características de los procesos que se van a trabajar, como temperatura deentrada y de salida y �ujos conocidos entonces el método que se debe utilizar para el proceso


es el de efectividad NTU. El método utiliza las ecuaciones (2.22), (2.23), (2.24) y (2.25) descritasen [7]. Estas utilizan las propiedades de los �uidos y el intercambiador de calor para establecerun valor ideal de intercambio de calor y relacionarlo con los �uidos para determinar una efec-tividad del intercambiador de calor y así determinar el calor real intercambiado. La relación decapacidades y el NTU se utilizan para encontrar la efectividad del intercambiador utilizando laecuación correspondiente al tipo de intercambiador, dichas ecuaciones o sus representacionesgrá�cas se encuentran en [7].

Q = � ⋅ Qmax =� ⋅ Cmin(Tℎ,e − Tc,e) (2.22)C =m ⋅ cp (2.23)

NTU =

U ⋅ Ap

Cmin

(2.24)

c =

Cmin

Cmax

(2.25)

Donde:

• �: Efectividad del intercambiador de calor [Adimensional ]

• Qmax : Tasa máxima posible de transferencia de calor [W ]

• C : Razón de capacidad calorí�ca [W/℃ ]

• Cmin: Razón de capacidad calorí�ca mínima del intercambiador de calor [W/℃ ]

• Cmax : Razón de capacidad calorí�ca máxima del intercambiador de calor [W/℃ ]

• Tt,p: Temperatura del lado “t” (h=caliente, c=frío) en la posición “p” (e=entrada, s=salida)[℃ ]

• cp: Calor especí�co a presión constante [ J/ kg ]

• NTU : Número de unidades de transferencia [Adimensional ]

• c: Relación de capacidades [Adimensional ]


2.5. Normativas y recomendaciones para el diseño de equipos de tipoalimentario

Realizando un estudio de las normativas que rigen el diseño de equipos alimentarios y porrecomendación del Lic. Wilfredo Flores se decide utilizar las Directrices del Grupo Europeode Ingeniería y Diseño Higiénico, EHEDG por sus siglas en inglés [18]. Estas directrices cuen-tan con el respaldo de la Comisión Europea y se realizaron en colaboración con 3-A y NFSInternational [18]. La página web del Grupo indica sus objetivos y tareas en las que destaca“la preparación de lineamientos cientí�cos y técnicos para todos los aspectos y requerimien-tos basados en el estado del arte del diseño higiénico en concordancia con la legislación de laUnión Europea” [16]. Esta normativa va a ser implementada en todo el diseño del equipo detal forma que se asegure que el equipo es apto para el manejo de productos alimenticios sinque se incurra en daños a los usuarios �nales.

Capítulo 3

Diseño y selección de elementos del secador

El diseño mecánico usualmente cuenta con una gran cantidad de variables. La informa-ción nunca está completa y es necesario utilizar criterios de toma de decisión que no esténfundamentados puramente en la teoría sino también en la práctica para simpli�car algunasde estas variables. El ingeniero debe obtener toda la información posible pero debe usar sucriterio profesional para determinar la importancia que tienen algunos elementos del diseñosobre otros. Hay características como disponibilidad de equipos, precio y calidad que no estánincorporados en la teoría que deben ser tomados en cuenta a la hora de realizar un diseño me-cánico. En este capítulo se va a describir el proceso de diseño del equipo y los criterios teóricosy prácticos utilizados.

3.1. Diseño y dimensionamiento de la cámara de secado y carros por-tadores de bandejas

El tamaño de la cámara de secado va a depender del tamaño de los carros portadores debandejas. La cantidad y tamaño de los carros portadores de bandejas está ligado a la cantidadde fruta que se va a secar y las dimensiones de dicha fruta. Se estableció en la sección 2.2 queel espesor de los trozos de piña va a ser de 1,5 cm y van a ser cortadas en forma de cuña. Eltroceador que se va a utilizar, mostrado en la Figura 2.6, está dividido en 6 secciones por lo quelas cuñas van a contar con un ángulo de 60°. El documento [19] no indica el aprovechamien-to del área en una bandeja que tuvieron con el tamaño de trozos utilizados. Una estimaciónconservadora indicaría que el área utilizada es de un 70 % del total del área de la bandeja, estotambién sirve como un factor de seguridad para el cálculo.

Para la selección de bandejas y carros se debe buscar un equipo ya que las dimensionesvarían considerablemente entre fabricantes. El carro mostrado en la Figura 3.1 es uno de 42bandejas de 60,96 cm x 96,52 cm cada una, es un ejemplo del tamaño y características que sebusca para el carro de bandejas. Utilizando el valor de densidad de la piña de 697,41mg/ cm

3 [2]se calcula la cantidad de carros requeridos para contener una tonelada de piña.

31

32 3. Diseño y selección de elementos del secador

42 ⋅ Nc = Nb =

1000 kg

697, 41mg

cm3⋅ 60, 96 cm ⋅ 96, 52 cm ⋅ 1, 5 cm ⋅ 0, 7

⋅ 106mg

kg

= 232, 09 (3.1)

Donde:

• Nc : Cantidad de carros. [ Adimensional ]

• Nb: Cantidad de bandejas. [ Adimensional ]

Figura 3.1: Carro de bandejas [15].

Entonces se determina que la cantidad de bandejas requeridas es 232,09 usando la ecuación(3.1). Como son 42 bandejas por carro entonces se requieren 6 carros. Estos carros cuentan conunas dimensiones de 69,85 cm x 102,87 cm x 184,15 cm por lo que colocando los carros en dos�las de 3 carros cada una entonces la dimensiones mínimas de la cámara serían 1,40 m x 3,10 mx 1,85 m. A estas dimensiones se les debe agregar un margen de maniobra por imperfeccionesy para que los carros sean manipulados. Las medidas crítica son las de 1,40 m y 1,85 m ya quetodo el espacio entre la pared y el carro es espacio que no se utiliza para calentar la piña. A estasdos medidas se les va a agregar 5 cm para contemplar esto. La tercera medida va a dependerdel espacio que requiera el aire para circular por el sistema y se de�nirá en una etapa posterior.

3.2. Caracterización del proceso psicrométrico y el caudal del aire 33

3.2. Caracterización del proceso psicrométrico y el caudal del aire

Las pruebas de la piña a TH = 70℃ no fueron las mejores a nivel de calidad de producto�nal pero si a nivel de secado. Para darle a la empresa que desee utilizar este equipo un margende maniobra entonces los cálculos de carga máxima se van a realizar a TH = 70℃ en caso deque la empresa requiera que su producto se seque a esta temperatura. La temperatura ambientedel lugar no se conoce pero al ser un equipo de calentamiento se deben realizar los cálculos ala temperatura menor a la que se va a utilizar el equipo. Las temperaturas de las plantacionesde piña se encuentra en el rango de 14℃ hasta 30 ℃ [30] pero el Instituto MeteorológicoNacional de Costa Rica indica que las regiones productoras de piña pueden alcanzar hasta los34℃ para regiones como Los Chiles [12]. El valor utilizado para los cálculos se va a explicarposteriormente ya que implica algunas consideraciones. La altura de las plantaciones de piñaes de los 100 msnm a los 500 msnm [30] por lo que se realizan los cálculos a 300 msnm, valormedio. Las humedades relativas de las zonas son muy altas y el documento [19] demostróque el comportamiento del secado varía muy poco si se varía la humedad relativa. A nivel deequipo es importante la humedad del ambiente para el proceso ya que esta va a determinar lacantidad de agua que se va a extraer de la piña. El valor más alto es de 90 % según [12] por loque se va a utilizar este número ya que se reduce la cantidad de agua que se puede extraer dela piña.

Según [19] la velocidad de secado óptima de la piña es de 2, 5m/ s por lo que se puedecalcular la cantidad de aire que se debe circular por el sistema. Como el área transversal de lacámara de secado es de 1, 45m ⋅ 1, 90m = 2, 755m

2 entonces se calcula el �ujo volumétrico deaire, 2, 5m/ s ⋅ 2, 755m

2≈ 6, 89m

3/ s = V . El �ujo de masa va a depender de la densidad del

aire que a su vez depende de la temperatura y humedad del mismo. Se va a tomar el aire a latemperatura de operación de 60℃, la humedad varía con la humedad del ambiente y la tasa desecado de la piña pero se va a tomar un valor de 25 % ya que se está trabajando con aire seco.La densidad en estas condiciones y a 300 msnm es de � = 1, 007 kg/m

3 [20]. Con la densidadde�nida, se calcula el �ujo másico de aire, m = � ⋅ V = 6, 94 kg/ s.

El ciclo real va a contar con pérdidas de calor en la cámara por la conducción de las paredespor lo que no se puede considerar un enfriamiento adiabático puro. Con el correcto diseñode las paredes se puede mitigar este efecto al reducir la conductividad de las paredes con elentorno.


La tasa de secado máxima para la piña a tratar fue de 2, 5 gH2O/ kg a 60℃. Esta tasa decreceabruptamente hasta a 0, 5 gH2O/ kg en la primera hora. Posteriormente hasta a 0, 2 gH2O/ kg enla segunda hora. A la tercera hora y hasta el �nal de la tasa se mantiene relativamente constantea 0, 1 gH2O/ kg. Esto indica que va a existir un gradiente de temperatura en la cámara por elenfriamiento por aumento de la humedad. Al principio también va a existir una pérdida detemperatura por el calentamiento del metal y la piña. Estos son procesos transitorios que nose toman en cuenta en el diseño por la complejidad y relativa rapidez que tienen en llegar a unestado estacionario. El gradiente de temperatura no supone un problema para la calidad delproducto �nal, solo para el tiempo que va a tardar el secador.

Utilizando Wolfram Alpha [20] se calculan las propiedades del aire para los dos ciclos que sevan a probar. Los procesos se representan en las Figuras 3.2 y 3.3. Los valores de los estados semuestran en las Tablas 3.1 y 3.2. La presión atmosférica depende de la altura y de la temperaturadel aire, es por esto que se utiliza la herramienta brindada por [28] con una altura de 300 msnmy temperaturas de 14℃ y 34℃. Los resultados son 97760 Pa y 97989 Pa. Se observa como seutilizó el valor de temperatura de salida del aire de 13,27℃ para ambos procesos para realizarun único diseño del recuperador de humedad y además para extraer al máximo la humedad.

Tabla 3.1: Datos del proceso psicrométrico con la menor temperatura del aire exterior (Datos de [20]).

Estado Tbs (℃) ( %) Y ( gH2O/ kgAire) ℎH ( kJ/ kg)

1 14,00 90,0 9,33 37,662 70,00 4,6 9,32 95,043 29,24 95,0 25,7 95,054 13,27 95,0 9,33 36,81

Tabla 3.2: Datos del proceso psicrométrico con la mayor temperatura del aire exterior (Datos de [20]).

Estado Tbs (℃) ( %) Y ( gH2O/ kgAire) ℎH ( kJ/ kg)

1 34,00 90,0 32,2 116,82 70,00 15,3 32,1 155,03 38,80 95,0 45,1 155,04 33,05 95,0 32,2 115,6

3.2. Caracterización del proceso psicrométrico y el caudal del aire 35

Figura 3.2: Proceso psicrométrico con la menor temperatura del aire exterior. (Elaboración propia)


Figura 3.3: Proceso psicrométrico con la mayor temperatura del aire exterior. (Elaboración propia)

3.3. Selección y diseño del sistema de calefacción 37

Se debe veri�car la cantidad de agua que se puede extraer de la piña con respecto a lastasas de secado. Esto para determinar si la cantidad de aire que �uye por el secador es capaz deremover la humedad que se retira de la piña. Las tasas de secado se muestran en las ecuaciones(3.2) y (3.3), la máxima tasa se calcula con el proceso psicrométrico de mínima temperatura yel de mínima tasa se calcula con el proceso psicrométrico de máxima temperatura.

mWmax = m ⋅ (Y3 − Y1) = 6, 94

kg

s

⋅(25, 7

gH2O

kgAire

− 9, 33

gH2O

kgAire)= 113, 61

g

s

(3.2)

mWmin = m ⋅ (Y3 − Y1) = 6, 94

kg

s

⋅(45, 1

gH2O

kgAire

− 32, 2

gH2O

kgAire)= 89, 53

g

s

(3.3)

Donde:

• mW : Flujo másico de agua. [ kg/ s ]

3.3. Selección y diseño del sistema de calefacción

A partir de los datos del proceso psicrométrico y del �ujo másico de aire se calcula lacapacidad del calentador en la ecuación (3.4). La selección del equipo va a depender de lasdimensiones y método de calefacción utilizado. Se utilizan los valores del ciclo de baja tempe-ratura ambiente debido a que es el que cuenta con la mayor diferencia de entalpías especí�casentre los estados 1 y 2.

Q = m ⋅ (ℎH2 − ℎH1) = 6, 94

kg

s

⋅(95, 04

kJ

kg

− 37, 66

kJ

kg)= 398, 22 kW (3.4)

El siguiente paso es seleccionar el método de calentar el aire. Existen muchas alternativaspero por disponibilidad y viabilidad se van a analizar las siguientes opciones:

• Vapor

• Electricidad

• Gas licuado de petróleo (GLP)


La decisión se debe tomar a partir de la e�ciencia energética pero se debe considerar elcosto económico y variables como espacio requerido para el sistema, disponibilidad de losinsumos y facilidad de mantenimiento.

A partir de una consulta a la directora del CITA, Carmela Velázquez, se establece que elvapor no es viable debido a la muy poca cantidad de productores de piña que cuentan concalderas. Esto ya que como se indica en la sección 1.3, los productores de piña de Costa Ricano le dan un valor agregado a sus productos. Esto genera que no cuenten con la infraestructurani el personal técnico para brindarle mantenimiento a estos equipos y el costo económico deentrada para instalar el secador de piña se duplicaría debido a que involucraría la compra delequipo y la compra de una caldera, con todos los costos asociados como personal técnico,tratamientos de agua, revisiones y permisos. Al ser un proyecto en búsqueda de fortalecer alos pequeños y medianos productores de piña en Costa Rica, no es viable utilizar vapor comométodo de calentamiento.

Para los calentadores se va a utilizar un factor de seguridad de 1,10 a nivel de potenciamáxima para cubrir factores como pérdida de e�ciencia, incrustaciones, deterioro y otros. Estefactor no incluye la e�ciencia de los equipos y es un estimado para asegurarse que el equipova a poseer la capacidad de operar a pesar del deterioro que pueda tener en el tiempo. Estono excluye que todos los elementos deben ser sujetos a los procedimientos de mantenimientodados por el fabricante respectivo.

3.3.1. Calentamiento por electricidad

Dentro de esta categoría existen múltiples mecanismos disponibles en el mercado. Parareferencia de características como dimensiones, capacidad y aspectos a seleccionar, se va autilizar los calentadores de ducto de la empresa Wattco [31]. Los equipos a utilizar son los dela categoría “Process duct heaters” (calentadores de ducto para proceso) porque se consiguencon recubrimiento en acero inoxidable, son lavables y cuentan con una alta capacidad de ca-lentamiento en relativamente poco espacio. Utilizando el valor calculado de calor requerido yel factor de seguridad se calcula la capacidad del equipo que se requiere en la ecuación (3.5).

Qe = 1, 10 ⋅ Q = 438, 0 kW (3.5)

Donde:

• Qe: Tasa de transferencia de calor eléctrico requerido. [W ]

3.3. Selección y diseño del sistema de calefacción 39

Al usar las hojas de datos brindadas por Wattco [31] se encuentra la primera limitantea nivel de la planta en la que se requiere que se utilice el equipo. La alimentación trifásica esnecesaria para poder alcanzar las capacidades de calor que requiere la aplicación. Al ser de bajatensión, no se tienen limitantes geográ�cas importantes, con excepciones en lugares remotos.Esto signi�ca que si la instalación física destinada para este proyecto se encuentra en una zonaremota, no es posible utilizar el calentamiento eléctrico. Fuera de esto, por recomendación delfabricante, se utiliza el equipo AMT. Este permite mayor �exibilidad en el tamaño del ducto eincluye un recubrimiento en acero inoxidable 316. La tensión que se recomienda es la de 240 Vtrifásica por ser la que se tiene en mayor disponibilidad a nivel nacional en la red eléctricanacional. Las con�guraciones que cumplen con los requerimiento son (cantidad y número decatálogo), 10 de AMT-48X, 9 de AMT-54X, 8 de AMT-60X, 7 de AMT-72X, 6 de AMT-84X. Ladecisión se tomará a partir del costo individual de cada equipo y el costo del transporte de losmismos. El equipo se muestra en la Figura 3.4.

Figura 3.4: Calentador eléctrico de tubos marca Wattco. [31]

3.3.2. Calentamiento por GLP

Los quemadores de gas son equipos relativamente pequeños para la enorme cantidad deenergía que logran entregar. Dicho esto, hay que se muy cuidadoso al utilizarlos directamenteen el �ujo de aire por la cantidad de subproductos que tiene una combustión como dióxidode nitrógeno y monóxido de carbono que pueden contaminar el producto �nal. Una solución


es utilizar intercambiadores de calor entre el aire calentado por el quemador de GLP y el ai-re que va a utilizarse para secar la fruta. Para esto se utilizaría un intercambiador de placasque [22] indica que cuenta con una efectividad de aproximadamente el 70 %, lo que signi�cancostos muy elevados de construcción y de operación que se pueden evitar si se selecciona unquemador de calidad y se controla que se esté realizando una combustión completa. Entoncesse procede a calcular el calor que debe ser capaz de proveer el quemador en la ecuación (3.6),incorporando el factor de seguridad antes explicado.

Qg = 1, 10 ⋅ Q = 438, 0 kW (3.6)

Donde:

• Qg : Tasa de transferencia de calor del quemador de gas requerido. [W ]

Con el propósito de dimensionar el sistema y seleccionar un equipo real, se va a utilizar elcatálogo de productos de Riello tipo RS [10] porque permiten variar la cantidad gas consumidodependiendo de la etapa de la aplicación. Además, regulan la relación combustible aire paraasegurar una combustión completa que no produce subproductos dañinos. También le brindarácontrol al usuario �nal del equipo en caso de requerir cambios en la temperatura de aire quese desee utilizar. Utilizando QG , se selecciona el modelo RS 44 MZ ya que cuenta con unacapacidad mínima de 101 kW y máxima de 550 kW. El quemador se muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5: Quemador de gas marca Riello. [10]

3.4. Recuperador de calor 41

3.4. Recuperador de calor

A la salida de la cámara de secado se coloca un intercambiador de calor aire aire. Este tienela función de recuperar el calor que sale del equipo y ahorrar costos de operación, tanto parael equipo de calentamiento como para el recuperador de calor. Las características del aire de lasalida del calentador son variables a lo largo del proceso de secado. Al ir reduciendo la cantidadde humedad, se reduce la tasa de secado y por ende la cantidad de humedad en el aire. Esto seexplica con más detalle en la sección 2.1.3. Entonces, si las propiedades (velocidad, temperaturay humedad) del aire que entra a la cámara de secado se mantienen constantes, las condicionesdel aire de salida de la cámara van a variar con el tiempo. Tener condiciones cambiantes en lacámara hace que se desperdicie energía y puede llevar a pérdida de calidad del producto �nal.

La temperatura en la entrada no se desea modi�car ya que esta está de�nida como la óp-tima, mínimo tiempo de secado sin dañar el producto, pero la velocidad del aire si puede sercambiante para asegurarse que la temperatura de salida sea lo su�cientemente baja para quela mayor cantidad de calor que se ingresó al sistema sea aprovechado para el secado de la piña.

Si se observan las Tablas 3.1 y 3.2 se determina que la temperatura de salida de la cámara,cuando se satura el aire, se va a encontrar entre 30℃ y 39℃ dependiendo de la temperaturay la humedad con la que ingrese el aire del exterior. Con asegurarse que el aire salga de lacámara con aproximadamente 5℃ más que la temperatura a la que se satura el aire, antes delas últimas etapas del secado, se está aprovechando al máximo la energía ingresada al equipo.Las pruebas experimentales van a determinar la velocidad mínima a la que puede girar elventilador para mantener un �ujo de aire en la cámara y para obtener los tiempos de secadoóptimos. También, entra en consideración el calor mínimo que puede entregar el calentador.Si se utiliza un calentador de gas, este tiene un valor mínimo de calor que puede entregar. Si lavelocidad del ventilador desciende por debajo del punto en el que ese calor mínimo haga quela temperatura del aire sea de 70℃, entonces la temperatura se va a elevar y va a perjudicar lacalidad del producto.

El recuperador de calor va a perder efectividad a medida que la temperatura ambiental seeleve. En el caso crítico de que la temperatura ambiente sea de 34℃, la de salida de la cámarava a ser de aproximadamente 44℃, siguiendo la regla de los 5℃. La diferencia de temperaturade 10 grados hace pensar que el intercambiador es inviable, pero existe una situación quese describió en el párrafo anterior, ¿qué pasa cuando la tasa de extracción de humedad caeal punto en el que ya no enfría al aire? Es en este momento donde el intercambiador cobraimportancia porque el aire de la salida, según consultas con Roberto Bolaños de COBYBSA [9],va a elevar su temperatura, porque la tasa de secado de la piña va a decrecer hasta el puntodonde no sature el aire. Él indicó que, típicamente, en estos procesos la tasa de extracción sereduce relativamente rápido y en cuestión de una hora o dos se sube la temperatura del aire desalida de un secador de características similares hasta más de 50℃ dependiendo de la velocidaddel aire.


Este diseño está hecho para tener control sobre la velocidad del aire y el calor del quema-dor, entonces las temperaturas se van a elevar después de esas dos horas debido al cambio enla velocidad. Al haber tantas variables en este diseño del intercambiador de calor, el criterio dediseño va a ser el espacio que puede albergar al intercambiador. El costo de mano de obra y elmaterial no se eleva considerablemente al hacer el intercambiador más grande, según don Ro-berto. Esto ya que la labor es muy repetitiva y relativamente sencilla, además que los elementosdel intercambiador son láminas de acero inoxidable delgado, de hasta menos de un milímetro.En el plano se va a especi�car el espacio que se le va a dedicar a dicho intercambiador.

3.5. Diseño del sistema de recuperación de humedad

Utilizando los procesos psicrométricos, se calcula la carga térmica que debe extraer el re-cuperador de humedad, se muestra en la ecuación (3.7). Se utiliza el proceso de menor tempe-ratura ambiente porque cuenta con la mayor diferencia entre las entalpías especí�cas de losestados 3 y 4 de los ciclos de las Tablas 3.1 y 3.2.

Qℎ = m ⋅ (ℎH3 − ℎH4) = 6, 94

kg

s

⋅(95, 05

kJ

kg

− 37, 66

kJ

kg)= 398, 29 kW (3.7)

Donde:

• Qℎ: Tasa de transferencia de calor a retirar del aire. [W ]

Es necesario calcular el �ujo de agua máximo que se va a extraer del aire ya que el equipodebe ser capaz de manejarlo, el cálculo se muestra en la ecuación (3.8). Los valores utilizadosson los de máxima diferencia de humedad absoluta entra los estados 3 y 4, por lo que seríael ciclo a baja temperatura ambiente. Nótese que concuerda con el valor de cantidad de aguaextraída de la piña, ya que se basa en la ley de la conservación de la materia.

mW = m ⋅ (Y3 − Y4) = 6, 94

kg

s

⋅(45, 1

gH2O

kgAire

− 9, 33

gH2O

kgAire)= 113, 61

g

s

(3.8)

Donde:

• mW : Flujo másico de agua. [ kg/ s ]

3.6. Diseño del sistema de distribución de aire 43

El diseño incorpora un intercambiador de calor de tubos con agua fría proveniente de unenfriador. Esto presenta la limitante de que la empresa debe contar con un sistema de aguafría. Esto no es atípico para una planta que requiera almacenar producto frío, como frutas. Alobservar los ciclos psicrométricos, no parece tener demasiado sentido el uso de un intercam-biador de calor ya que el aire saldría a máximo 15℃ sobre la temperatura del aire de entrada.Esto es cierto cuando el equipo logre saturar el aire con la humedad de la piña, pero este no vaa ser el caso en la mayoría del proceso. Para reducirle la carga al intercambiador de agua fría,lo mejor es reducirle la temperatura al máximo al aire de salida y utilizar esa energía en el airede entrada. Las características de ambos intercambiadores es muy variable pero hay algunassuposiciones que se pueden hacer para el diseño.

3.6. Diseño del sistema de distribución de aire

El �ujo másico de aire que debe recorrer por el secador se de�nió en la sección 3.2. Ade-más de este valor, se requiere estimar la pérdida de presión del sistema. Para esto se utiliza lapérdida de calor en los intercambiadores de calor, �ltros y por los carros y bandejas. Estos sonvalores complejos de calcular y se requiere simular el �ujo de aire a través de estructuras tri-dimensionales complejas. Es por esto que se va a asumir el máximo permitido por el catálogode ventiladores industriales que se va a implementar, el de nyb [23]. Estos cuentan con unacapacidad máxima de 6 pulgadas de agua, que equivalen a 1493,04 Pa. A la hora de implemen-tar el sistema, se deben realizar pruebas para determinar el motor requerido. Nótese que unmismo ventilador puede operar a varias velocidades y consumir valores variados de potenciadependiendo del �ujo de aire y la pérdida de presión del sistema en el que se esté utilizando.

A partir de los cálculos realizados en el Apéndice A.1, se selecciona el ventilador “Size 22”de nyb [23]. La Figura 3.6 muestra un equipo similar al seleccionado.

Figura 3.6: Ventilador marca nyb. [23]


Para este ventilador se debe seleccionar un motor capaz de moverlo. El fabricante del ven-tilador indica que la potencia máxima requerida para esta aplicación es de 21,5 hp a una velo-cidad de 1097 rpm. Con esto se selecciona el motor de 25 hp a 1200 rpm marca Baldor modeloCECP4111T [1] que vende Elvatron [17]. Para esta aplicación es necesario contar con un va-riador de frecuencia ya que este motor gira a 1180 rpm a máxima potencia con 60 Hz y parallegar a la velocidad que requiere el fabricante se requiere que la alimentación esté a 55,7 Hz.A este motor se le coloca el acople 9JS con las bridas 9S218 y 9S2316 de TB Wood’s [33]. Laselección de este equipo y las bridas se calculó con la herramienta de esta marca “CouplingSelector” [32] e introduciendo los datos del motor y de ambos ejes del sistema (motor y venti-lador). El acople puede ser uno similar, siempre y cuando se cumplan con las especi�cacionesde torque, velocidad y diámetros de los ejes.

El quemador requiere un volumen para que la llama se produzca sin elevar excesivamentela temperatura del acero que está cercano a esta. El fabricante indica que el longitud máximade la llama es de 1,4 m y el diámetro máximo es de 0,5 m [10]. Se le va a brindar un 50 % mása ambas dimensiones para evitar la proximidad a las paredes y a otros equipos. Por lo que lasdimensiones que se la va a dar a la llama son de al menos 2,1 m de largo y 0,75 m de diámetro.Este espacio va a ser el hogar hecho de ladrillo refractario.

3.7. Diseño del marco estructural del secador

El equipo debe poder soportar todos los elementos de su estructura sin ningún inconve-niente sin comprometer la inocuidad del equipo. Para esto se utiliza tubo cuadrado de aceroinoxidable. El marco estructural no es crítico en este sistema debido a que no hay peso en laparte superior, como se muestra en los planos. El único equipo que debe sostenerse es el que-mador de gas y su hogar. Para darle solidez a las paredes se utiliza platina de acero inoxidablede 1/4 ” y de máximo 5 cm de anchas, depende de lo que pueda proveer el distribuidor, que secolocan verticalmente en las paredes del calentador. Esto le brinda solidez a las paredes al co-locarse cada 25 cm o menos. El marco estructural se realiza con tubo cuadrado de acero ANSI304 de 1/4 ” de espesor de pared. Las dimensiones del tubo van a depender de la aplicación, pe-ro en general se va a trabajar con per�les cuadrados de 4 ” de lado para la estructura principaldel equipo y 2 ” para elementos que deben soportar poco peso.

3.8. Diseño y selección de los elementos complementarios

Muchos de los elementos complementarios se han de�nido en otras secciones al ser reque-ridos para los cálculos de los equipos principales, pero en este capítulo se van a tratar los queno hayan sido de�nidos y algunas características generales importantes del equipo.

3.8. Diseño y selección de los elementos complementarios 45

3.8.1. Paredes del secador

Como indica el EHEDG [18], todos los elementos que puedan estar en contacto con el pro-ducto deben ser de materiales resistentes a la corrosión y a la formación de microorganismosque puedan perjudicar al consumidor. Es por esto que las paredes se van a hacer de aceroinoxidable 316L. Se utiliza el 316L en lugar del 304L debido a la presencia de piña que cuentacon 0,6 %-1,62 % de ácido cítrico del peso de fruta fresca. El grosor de las paredes es importantea la hora de darle protección mecánica al equipo y mejorar la vida útil ya que paredes livianasserían problemáticas en caso de un impacto con los carros por el interior o de otro objeto porel exterior. Es por esto se van a utilizar láminas de 1/16 ” para las paredes, si se trabajara conláminas más gruesas el equipo aumenta considerablemente su costo sin necesidad ya que elacero inoxidable es un material con alta dureza. Se calculan las pérdidas por las paredes paradeterminar si es necesario incluir un aislante térmico a las paredes. Las pérdidas no debensuperar el 2,5 % del calor máximo requerido por el equipo para cumplir con las condicionesde operación, se había trabajado el ingreso de calor con un 10 % de factor de seguridad queincluye este valor del 2,5 % más otro 7,5 % para contemplar el deterioro del equipo.

Existen métodos complejos para los cálculos de la transferencia de calor en este equipo. Enespecial a la hora de estudiar los procesos de convección que se presentan en las super�ciesinternas del secador de túnel. En este caso se tienen variables como la dirección del �ujo, lavariación de temperatura por enfriamiento evaporativo generado por la piña y los cambios develocidades por cambios en el área transversal. Tomar en consideración todos estos factoreses un trabajo de graduación por sí solo que puede que se tenga una incertidumbre elevadaque haga que aplicar estos resultados sea inviable. Entonces se va a suponer que el interior seencuentra a 70℃ de forma uniforme, el caso en el que no exista resistencia térmica por con-vección, y se diseña a partir de esto. Esta suposición se considera como un factor de seguridadya que existe una gradiente de temperatura y la convección reduciría la temperatura en lasparedes.

El cálculo de las pérdidas de energía por las paredes se calculan el Apéndice A.2. Se calculacuanto signi�ca esto para el calor total que se está introduciendo al sistema, 10, 19 kW/438, 0 kW =

2, 33 % < 2, 5 % por lo que cumple con los requerimientos establecidos.El diseño �nal se encuentra en el Apéndice A.3, en las Figuras A.1 y A.2.

Capítulo 4

Estudio de costos

Buscando una solución holística al problema del secado de piña a nivel nacional; se requiereestablecer un costo inicial y uno operativo al equipo para que pueda ser implementado en CostaRica. Esto signi�ca brindar precios de los equipos, mano de obra y de los materiales requeridospara su operación. Estos costos se estudian a valor presente y van a cambiar en el futuro porlo que se describa en este capítulo debe ser utilizado de forma representativa y se debe llevara valor presente en el momento en el que se desee ejecutar el proyecto. Los precios se van aredondear a partir de cotizaciones solicitadas a los fabricantes ya que se utilizan equipos quepueden ser provistos por otros fabricantes y el objetivo es brindar un estimado del costo delequipo.

Por motivos de resguardo de información que puede ser considerada delicada o que puedarepresentar pérdidas comerciales a las empresas, no se van a adjuntar las cotizaciones ya queestas cuentan con información de vendedores y cifras exactas de equipos. En las referenciascorrespondientes vienen los contactos de los fabricantes de los equipos y queda a discreciónde los mismos si brindan o no la información a otras partes que se lo soliciten. Todas las cifrasse van a manejar en dólares estadounidenses ya que este valor es más constante en el tiempoque el colón costarricense, por responder a una economía más grande y estable.

4.1. Costo inicial

Existe una enorme variedad de equipos que pueden satisfacer las necesidades de cada sub-sistema que se diseñó en este proyecto pero los valores que se van a utilizar son los de los fabri-cantes seleccionados. Esto signi�ca que a la hora de realizar el proyecto, la empresa interesadapuede encontrar otros proveedores con equipos similares y recortar gastos considerablemente,además de posibles relaciones comerciales que tengan con dichos proveedores que signi�quenmejores condiciones.

47

48 4. Estudio de costos

4.1.1. Estructura y mano de obra

La elaboración de equipos metalmecánicos es fascinante porque mezcla principios físicosclaros con una forma de arte como la escultura. Los mecánicos de precisión son maestros ensu arte y utilizan conocimientos transmitidos por generaciones para construir los equipos quemueven la industria moderna. Es por esto que la experiencia de la empresa metalmecánica quese utilice para el proyecto tiene que ser uno de los factores claves a la hora de sus selección.Para estimar el costo del equipo, se seleccionó a la empresa COBYBSA [9]. Sus más de 30 añosde estar en el negocio de las obras metalmecánicas signi�ca que cumple con creces con elfactor experiencia. Sus instalaciones cuentan con equipos de alta calidad y personal humano,ingenieros y técnicos, con conocimiento de lo que conlleva un proyecto de estas características.

Una vez que se le explicó a la empresa toda la obra que conlleva este proyecto, ellos indicanque el costo de este proyecto sería de $50000 por la mano de obra, elementos estructurales eintercambiadores de calor. También me indican que el intercambiador de calor para el recupe-rador de humedad tendría un costo adicional de $10000. Las bandejas de la piña las harían ellospor un precio de $50 dólares por bandeja con bordes de inoxidable y malla de polipropileno.Indica la empresa que el polipropileno es mejor como super�cie en contacto con la piña debidoa que esta tiende a adherirse al acero inoxidable. Como se requieren 252 bandejas y se van apedir 18 más como repuestos entonces las 270 bandejas equivalen a un costo total de $13500.

4.1.2. Equipos

Valor cotizado

A continuación se muestran los precios de los equipos en la Tabla 4.1. Nótese que se inclu-yen los calentadores eléctricos y el quemador de gas pero esto es para realizar la comparaciónde ambos costos posteriormente y poder tomar una decisión informada.

Tabla 4.1: Costo de equipos

Descripción Marca Modelo Cantidad Precio unitario ($) Precio ($)

Quemador de GLP Riello RS 44 MZ 1 4500 4500Ventilador NYB 22B35-1 1 1000 1000Motor para el ventilador Baldor CECP4111T 1 4600 4600Carros para bandejas Dryer - 6 2425 14550Calentadores eléctricos Wattco AMT-84 6 8000 48000

4.1. Costo inicial 49

Transporte

El proyecto cuenta con varios equipos que fueron cotizados directamente a los fabricantes.Esto signi�ca que dichos equipos deben ser traídos a Costa Rica. Dentro del costo de los equiposse va a considerar el envío, basado en el lugar donde son fabricados, el peso y las dimensionesdel equipo. Se contactó a un agente de DHL para que brindara las cotizaciones del transportee impuestos de los equipos principales que se requieren traer del exterior. Las dimensiones ypesos son tomados de las hojas de datos de los fabricantes. Muchas hojas de fabricantes nocuentan con las dimensiones de los equipos empacados para envío, por lo que se tuvieron queasumir algunas dimensiones a partir de prácticas habituales de embalado y aprovechamientodel espacio.

El motor eléctrico no fue necesario buscarlo fuera del país por lo que no se considera dentrode los costos de transporte. El destino �nal va a variar dependiendo de la empresa que vaya aimplementar el equipo, por lo que el destino �nal se va a considerar como el Aeropuerto JuanSantamaría. La empresa deberá hacer el ajuste de sus gastos de transporte pero este dato esrepresentativo del costo de transporte a una de las mayores zonas piñeras del país.

Tomando todo esto en consideración, se crea la Tabla 4.2. Nótese los elevados costos detransporte e impuestos de los calentadores eléctricos y los carros de bandejas.

Tabla 4.2: Precios de transporte e impuestos de equipos principales (incluyendo cantidad)

Descripción Peso (kg) Largo x Ancho x Alto (mm) Transporte ($) Impuestos ($)

Quemador de GLP 33 1000 x 485 x 500 995 1269Ventilador 35 1001 x 969 x 724 406 363Carros para bandejas 50 1842 x 1029 x 300 2617 4976Calentadores eléctricos 54 1140 x 310 x 200 2467 16788

4.1.3. Costo inicial totalizado

Lo primero que se debe resaltar el el hecho que los costos de transporte e impuestos de loscarros de bandejas y los calentadores eléctricos son prohibitivos. Otras opciones más baratasno cuentan con las características requeridas de que el equipo sea lavable y que no contamineel aire que llega al producto. Primero, se van a realizar todos los cálculos antes de tomar unadecisión en lo que respecta al método de calentamiento. Al �nal se le aplica un ajuste del 10 %por equipos complementarios y trabajos no considerados. Los resultados se muestran en lasTablas 4.3, 4.4 y 4.5. Se observa que el equipo con calentadores eléctricos es un 61,2 % más caroque el equipo con quemador de GLP. Con el costo de operación se analiza si esta diferencia vaa tener un retorno de inversión. La mano de obra mostrada es la de elaboración del sistema.


Tabla 4.3: Costo inicial con quemador de GLP, sin recuperador de humedad

Descripción Dato Valor ($)

Quemador de GLP Precio 4500Transporte + Impuestos 2264

Ventilador Precio 1000Transporte + Impuestos 769

Motor para el ventilador Precio 4600Transporte + Impuestos 0

Carros para bandejas Precio 14550Transporte + Impuestos 7593

Mano de obra sin recuperador de humedad Equipo 50000Bandejas 13500

Subtotal 98776Ajuste 10 % 9878

Total 108 653

Tabla 4.4: Costo inicial con quemador de GLP, con recuperador de humedad


Quemador de GLP Precio 4500Transporte + Impuestos 2264




Mano de obra con recuperador de humedadEquipo 50000Bandejas 13500Recuperador 10000


Total 119 653

4.2. Costo de operación 51

Tabla 4.5: Costo inicial con calentadores eléctricos, sin recuperador de humedad


Calentadores eléctricos Precio 48000Transporte + Impuestos 19255




Mano de obra con recuperador de humedad Equipo 50000Bandejas 13500


Total 175 194

4.2. Costo de operación

El costo de operación va a ser dependiente de los costos energía que tenga la empresa adonde se desee instalar el equipo. Eso signi�ca que la región geográ�ca dicta el costo de laelectricidad de la planta y, por ende, del equipo. Se va a utilizar el precio del Grupo ICE ya quees la red de distribución más grande de Costa Rica. Este divide el costo en dos, 71,86 colonespor cada kW ⋅ h más 11878,17 colones por cada kW adicional en cualquier instante de tiempo,este se cobra mensualmente.

El GLP también depende de la planta, ya que diferentes empresas tienen convenios conempresas proveedoras de GLP, como el transporte, entre otros. Partiendo del precio listadopor RECOPE en su página de precios vigentes, el GLP tiene un precio de 175,85 colones/ L [25]con una densidad de 536,3 kg/m

3 [24].A partir de estos datos y de los consumos máximos de gas y electricidad del equipo, se

procede a calcular el costo de operación del sistema en la Tabla 4.6. Nótese como el costo deoperación de los calentadores eléctricos supera de nuevo al costo de operación del quemadorde GLP. Esto signi�ca que se descarta la opción de los calentadores eléctricos. Entonces elcosto total de operación del equipo va a ser de $ 25,22/ h más $ 399,71/mes. Lógicamente estono incluye repuestos ni horas de mantenimiento. Para esto es necesario que la planta que deseeimplementar el equipo realice el estudio correspondiente. El calentador eléctrico signi�caríaun incremento en el costo de 261,7 %/ h y 246,7 %/mes.


Tabla 4.6: Resumen de costos de operación

Descripción Consumo Costo

Electrico (kW) GLP (kg/ h) Energía ($/ h) Potencia ($/mes) GLP ($/ h)Quemador 0,70 42,42 0,08 13,63 22,80Motor 19,83 2,34 386,08Calentadores 486,67 57,33 9476,57

4.3. Valor de la humedad recuperada

La humedad que se extrae de la piña se busca precipitar una vez salga del recuperador dehumedad. Para esto es necesario utilizar agua fría proveniente de un enfriador. Estos cuentancon un costo de operación que se estima por cada kilowatt de calor que tenga que enfriar. Estedato varía dependiendo del equipo y de la instalación, más distancia del enfriador al equipoinvolucra más pérdidas. Todo esto signi�ca que el costo inicial de $ 11000 del intercambiadorde calor se debe sumar al costo de operación, el de cada kilowatt del enfriamiento del enfriador,para determinar si es válida la implementación del equipo.

Es importante considerar el valor del dinero en el tiempo en este proceso también, ya queno es lo mismo invertir el dinero en este sistema o utilizarlo en otras actividades económicasque van a generar otras formas de ingreso. Tomando esto en consideración, se establece unvalor de Ka ($/ L) que va a ser determinado por la empresa que elabore el equipo a partir deestudios del valor económico de la humedad recuperada. También se establece el costo Kb

($/ kW ⋅ h) que es el costo de operación del enfriador por cada kW ⋅ h producido y se estimaque cada lote máximo va a durar 12 h. Se considera que el enfriador también puede requeriruna inversión inicial para ampliar su capacidad hasta el valor requerido por el equipo que sellamará Kc ($). El indicador que se desea estimar el valor actual neto (VAN) y la tasa internade retorno (TIR), ya que estos estiman la viabilidad del proyecto. Para esto se debe de�nirun interés mínimo seguro para la empresa, I (Adimensional). Este varía entre empresas perousualmente es un valor que ellas saben o pueden aproximar. El periodo que se va a utilizar enlos cálculos es de 10 años. Los cálculos se muestran en las ecuaciones (4.1) y (4.2).

Primero, se estima la cantidad de litros que se van a extraer del sistema por año. Estecálculo es complejo, ya que va a depender de la capacidad de uso del equipo de la empresa. Espor esto que se va a dejar a criterio de la misma. En caso de que la empresa tenga estimadael uso equivalente del equipo, en lotes por año, entonces se deja el parámetro Kd (lotes/año)para que sea sencillo de implementar, sino un aproximado conservador sería de 1 lote/día,aunque el equipo pueda trabajar con dos lotes por día. El equipo genera 833 L de agua porlote, aproximadamente, con este dato se estima el valor comercial que tenga. El costo de losoperadores es prácticamente despreciable porque únicamente se requiere descargar y cargarel equipo, una vez cada 12 horas. La carga máxima del enfriador ya se calculó en la sección

4.3. Valor de la humedad recuperada 53

del recuperador de humedad como 398,29 kW. La efectividad se aproxima en [22]. El TIR sedebe calcular con los datos reales ya que es una ecuación más compleja, por lo que se puedeutilizar algún solucionador de ecuaciones por interpolación para evitarse tener que armar unaecuación sumamente compleja.

VAN = Kd

(833

L

lote

⋅ Ka − 12

h

lote

⋅ 398, 29 kW ⋅ Kb

)

I

(1 + I )11− (1 + I )

− $ 11000 − Kc (4.1)

T IR

(1 + T IR)11− (1 + T IR)

=

$ 11000 + Kc

Kd (833L

lote⋅ Ka − 12

h

lote⋅ 398, 29 kW ⋅ Kb)

(4.2)

Donde:

• VAN : Valor actual neto del sistema de recuperación de humedad. [$ ]

• T IR: Tasa interna de retorno del sistema de recuperación de humedad. [Adimensional ]

• Ka: Valor del agua recuperada. [$/ L ]

• Kb: Costo de operación del enfriador. [$/ kW ⋅ h ]

• Kc : Costo de aumento de capacidad del enfriador. [$ ]

• Kd : Lotes por año. [lote/año ]

• I : Interés mínimo seguro. [Adimensional ]

Capítulo 5

Conclusiones y recomendaciones

5.1. Conclusiones

• El estudio de costos y las entrevistas realizadas a las personas que están en contactocon estos sectores industriales indica que el mejor método para el calentamiento de esteequipo es el uso de un quemador de GLP. La diferencia en los costos del equipo conquemador de GLP y de calentadores eléctricos es de 61,2 % en costo inicial, 261,7 % encosto energético por hora y 246,7 % en costo de potencia eléctrica máxima consumidapor mes y el vapor no es viable por el elevado costo de inversión en calderas que lasempresas tendrían que afrontar.

• Los planos anexos muestran el diseño �nal del equipo de deshidratación de piña. Se iniciópor las dimensiones de la cámara de secado a partir de los carros y bandejas con piña,se procedió a establecer las cargas máximas en base a los ciclos psicrométricos del airey se seleccionaron los equipos que puedan cumplir con estos requisitos de diseño, todoesto indicando las características principales de dichos equipos para que la empresa querealice la inversión tenga la libertad de seleccionar otros proveedores que cumplan conlo establecido en este documento.

• A partir de cotizaciones realizadas a los proveedores de los equipos seleccionado, se pro-cedió a establecer un costo inicial de $ 108 653 sin recuperador de humedad y $ 119 653con recuperador de humedad. El costo de operación se calculó que sería de $ 25,22/ h deuso del equipo más $ 399,71/mes y el costo de uso del enfriador, en caso de utilizar elrecuperador de humedad.

• Se le brindó a las empresas las ecuaciones para calcular el valor actual neto y la tasa in-terna de retorno para el equipo de recuperación de humedad a partir de sus parámetrosespecí�cos como costo de operación del enfriador, costo de aumento de capacidad delenfriador, valor del agua recuperada y lotes por año. El valor actual neto y la tasa interna

55

56 5. Conclusiones y recomendaciones

de retorno son indicadores que se deben interpretar para tomar la decisión de implemen-tar el recuperador de humedad o no, si el valor actual neto es positivo o la tasa internade retorno es superior a la tasa de interés �jada como mínima entonces el proyecto esviable.

5.2. Recomendaciones

• La empresa debe veri�car los precios establecidos en este documento en el momento enel que desee implementar el proyecto. Esto debido a los cambios en los precios debidoa procesos de in�ación, cambios en políticas como el costo de la electricidad o el GLP yactualización de los catálogos de productos. También es pertinente realizar una investi-gación propia sobre distribuidores en la región que puedan proveer los equipos de formaque se reduzca el costo del transporte.

• Como parte crítica de este proyecto está el proceso de automatización del equipo. Estose sale de los alcances del proyecto, pero es importante considerar que esto usualmentetiene un costo elevado. Mínimo, es necesario contar con un PLC con salidas analógi-cas para controlar el quemador de GLP; entradas analógicas y sensores de condicionesambientales en la entrada del equipo, antes de la cámara de secado y a la salida del re-cuperador de humedad o, de no ser el caso, a la salida de el recuperador de calor. El PLCdebe estar conectado a un variador de frecuencia de, mínimo, 25 hp para controlar lavelocidad del ventilador. Las puertas del deshidratador deben tener sensores inductivospara asegurar que estas están cerradas cuando el equipo está en producción y el equipodebe tener paros de emergencia debidamente colocados en posiciones donde la seguri-dad humana pueda estar comprometida. El gabinete debe estar debidamente cableado yetiquetado por motivos de mantenimiento, además de contar con ventilación propia, undesconectador principal, fusiles para los equipos principales y guardamotores para todoslos motores. El variador debe contar con contactos de seguridad que estén directamenteconectados a relés de seguridad accionados directamente por los paros de emergencia.

• Es pertinente realizar pruebas a menor escala para con�rmar que el �ujo de aire, ca-pacidad del calentador y capacidad del intercambiador del recuperador de calor estánpropiamente diseñados y que el espacio asignado va a ser capaz de contener el equiposin comprometer la capacidad.

• Las curvas de secado que se utilizaron como base para este proyecto son representati-vas de la variedad más común en Costa Rica pero el producto de la empresa interesadapuede que tenga características diferentes, por eso se insta a las empresas a estudiar susproductos y la compatibilidad con este equipo.

5.2. Recomendaciones 57

• La empresa interesada debe elaborar un plan de mantenimiento pertinente que se en-cargue de prevenir posibles fallos en el equipo y contar con un inventario de repuestosnecesarios para reemplazar elementos perecederos en el equipo en caso de fallo.

• Un especialista en Ingeniería de Alimentos o Microbiología debe hacer un estudio delproceso de limpieza requerido para este equipo y elaborar un protocolo a partir de dichoestudio. Esto incluye posibles mejoras en el diseño, incorporación de un sistema CIP conlos respectivos drenajes, bombas de retorno de químico, periodicidad de la limpieza yotros.

• La salida del equipo se dejó libre para que la empresa interesada instale el tipo de escapeque pre�era. Se recomienda utilizar una chimenea para que el aire caliente salga por laparte superior del edi�cio y no afecte las condiciones de trabajo de la empresa.

Apéndice A

Apéndice

A.1. Selección del ventilador principal

Primero se debe convertir el �ujo másico a el �ujo volumétrico en pies cúbicos por minuto( cfm) para poder utilizar el catálogo de equipos de nyb [23]. El aire ocupa un mayor volumena una mayor temperatura. Entonces se encuentra su densidad a la máxima temperatura am-biental que se va a encontrar el equipo, Tabla 3.2. Para esto se utiliza Wolfram Alpha [20] y seencuentra que densidad en estas condiciones es de 1,091 kg/m3. Ahora se realiza la conversiónde unidades en la ecuación (A.1).

vc = 6, 94

kg

s

⋅

m3

1, 091 kg

⋅

35, 3147 pies3

m3

⋅

60 s

min

= 13478 cfm (A.1)

Donde:

• vc : Flujo volumétrico de aire en cfm. [ cfm ]

Con este valor y la pérdida de presión, se procede a seleccionar un modelo del catálogode nyb [23]. Las dos opciones que mejor se aproximan a las características requeridas son:Un ventilador de tamaño 22 (size 22) o dos ventiladores de tamaño 15 (size 15). El conjuntode tamaño 22 ocuparía un motor de 21,5 hp que giraría a 1097 rpm para producir 14000 cfmen caso de tener un sistema con pérdidas equivalentes a 6 pulgadas de agua. El conjunto detamaño 15 ocuparía un motor de 24,2 hp que giraría a 1690 rpm para producir 14400 cfm encaso de tener un sistema con pérdidas equivalentes a 6 pulgadas de agua. Por el consumoenergético, se selecciona el ventilador de tamaño 22.

59

60 A. Apéndice

Ahora se procede a calcular los valores corregidos del equipo. Primero se encuentra el deequipo abierto. El ancho del equipo se muestra en la página 10 del catálogo. En esto se veri�caque se puede colocar con el ancho del secador de túnel. El secador de túnel cuenta con un anchode 1,45 m en su interior, esto sin contar con el espesor de las paredes. Usando el ancho comosi fuera de 1,45 m (57,1 ”) para ser conservadores, se encuentra que en caso de usar el diseñocon paredes de 4 ” que la dimensión “W” es de 52 ” por lo que se usa el espacio sobrante paraampliar la dimensión “A” y así mejorar la e�ciencia del equipo. Con el cambio de dimensiones“A” sería igual a 10, 3

′′= 7, 75

′′+ (57, 1

′′− 52

′′)/2. Se calcula la relación de “A”/Diámetro

con el resultado de 46, 2 % = 10, 3′′/22, 3

′′. Revisando el “Chart I” se observa que el factor decorrección por la relación de “A”/Diámetro mayor a 33 % es de 1,0.

Posteriormente, se calcula el factor de corrección por altura y por temperatura ambiente. Elde altura se calcula interpolando el “Chart IV” a 300 msnm (984,25 pies) y se obtiene el valor de1,039. Para temperatura se utiliza la condición crítica de operación de 34℃ (93,2 °F) en el “ChartV” y el factor de corrección obtenido es de 1,0464. Es necesario de�nir el material del ventiladorpara el próximo factor de corrección. De acuerdo con la EHEDG [18], los materiales deben serde acero inoxidable. Por lo que para la rueda se utiliza acero 304 y para el eje se utiliza acero316. Usando estos materiales y la temperatura ambiente crítica antes mencionada, se calculanlos factores de 0,988 y 0,958 usando el “Chart VI”.

Con los factores de corrección establecidos, se calculan los nuevos parámetros del ventila-dor. Primero la potencia requerida cambia a 19, 78 hp = 1, 0 ⋅ 21, 5 hp/(1, 039 ⋅ 1, 046). Utilizandoel “Chart VII” se encuentra la velocidad segura del ventilador de 1205 rpm. Esta se corrigepara dar el valor de 1140 rpm = 0, 988 ⋅ 0, 958 ⋅ 1205 rpm. Como la velocidad requerida es de1097 rpm, menor a la velocidad segura, entonces se cumple con los requerimientos que solicitael fabricante.

A.2. Cálculo de pérdidas de calor por las paredes

A la hora de determinar la pérdida de calor del equipo, se requieren las dimensiones delmismo. Considerando que el hogar va a requerir espacio y el aire necesita espacio para �uirsin tener pérdidas elevadas. Se le va a dar un metro de altura al ducto en el que va a estarel quemador y se va a usar el ancho del equipo que es de 1,45 m, esto porque hace que eldiseño sea más sencillo de elaborar. Este ducto se va a encontrar sobre la cámara de secado.La cámara de combustión va a estar recubierta con ladrillo refractario de 3 cm, ya que es el demenor espesor. No se necesita más, ya que el elevado �ujo de aire va a evitar la concentraciónde calor que eleve signi�cativamente la temperatura del espacio que rodea a la llama. Se dejaun espacio de un metro en la entrada del equipo para que el aire �uya del ducto superior ala cámara de secado. Entonces el equipo se puede representar como un prisma rectangular de5,1 m de largo, 1,45 m de ancho y 2,9 m de alto.

A.2. Cálculo de pérdidas de calor por las paredes 61

En los planos anexados quedan claras las dimensiones del equipo. La conductividad delacero 316 es de 13, 4W/m ⋅ K [7]. EL material que se va a utilizar para las paredes es Insul-ceramic de 5 mm de Refractarios La Uruca [29]. Las características fueron consultadas conCOBYBSA, el que recomendó al proveedor, e indican que la conductividad es de 0, 04W/m ⋅ K

aproximadamente, que concuerda con los valores mostrados en [7]. La forma en la que se vana elaborar las paredes es con una lámina de acero, dos capas de Insulceramic y otra de acero.Todo esto con el �n de brindarle solidez al diseño y mantener el calor dentro del equipo. Esteequipo se va a trabajar en un planta con suelo de concreto y con una lámina de acero inoxi-dable en el sobre este. El suelo no va a ser un factor de pérdida de calor ya que la temperaturainterna del equipo es relativamente baja y el concreto tiene muy baja conducción porque elespesor usual de un suelo industrial es elevado. Las pérdidas de calor se van a compensar conlas otras suposiciones que se han hecho en esta etapa del diseño.

El espesor de las paredes se va a despreciar a la hora de determinar las dimensiones para elcálculo del factor de forma ya que (2 ⋅25, 4mm/16+2 ⋅5mm)/1450mm = 0, 91 % lo que signi�caque los espesores de la pared no equivalen ni al 1 % de la dimensión más pequeña del sistema.El modelo se comporta como un sistema compuesto por el recubrimiento de Insulceramic yotro sistema en serie que está compuesto por las dos capas de acero inoxidable. Ambos secalculas con las mismas geometrías, cambiando el espesor, y con diferentes conductividades.La geometría está compuesta por 5 paredes, 8 bordes de dos paredes y 4 esquinas de tresparedes. Todas estas geometrías suman sus factores de forma al estar en paralelo y el factorde forma es inverso a la resistencia. Los factores de forma de estas geometrías se muestranen [7]. Se calculas los factores de forma en las ecuaciones (A.2) a (A.8). Donde el subíndice “a”representa acero, “f ” �bra, “1” pared, “2” borde y “3” esquina.

S1a =

2 (5, 1m ⋅ 2, 9m) + 2 (2, 9m ⋅ 1, 45m) + (5, 1m ⋅ 1, 45m)

0, 003175m

= 14294, 5m (A.2)

S2a = 0, 54 (2 ⋅ 5, 1m + 4 ⋅ 2, 9 + 2 ⋅ 1, 45m) = 13, 3m (A.3)S3a = 4 ⋅ 0, 15 ⋅ 0, 003175m = 0, 0019m (A.4)Sa = S1a + S2a + S3a = 14294, 5m + 13, 3m + 0, 0019m = 14307, 8m (A.5)

S1f =

2 (5, 1m ⋅ 2, 9m) + 2 (2, 9m ⋅ 1, 45m) + (5, 1m ⋅ 1, 45m)

0, 01m

= 4538, 5m (A.6)

S2f = 0, 54 (2 ⋅ 5, 1m + 4 ⋅ 2, 9 + 2 ⋅ 1, 45m) = 13, 3m (A.7)S3f = 4 ⋅ 0, 15 ⋅ 0, 01m = 0, 006m (A.8)Sf = S1f + S2f + S3f = 4538, 5m + 13, 3m + 0, 006m = 4551, 8m (A.9)

62 A. Apéndice

Con los factores de forma de�nidos, se calcula la pérdida de calor suponiendo la condiciónextrema de temperatura ambiente 14℃ y temperatura interna de 70℃. Ambos factores enconjunto con la conductividad se trabajan como el inverso a la resistencia, y el acomodo es enserie por lo que se obtiene la ecuación (A.10).

Qp =

(ka ⋅ Sa)(kf ⋅ Sf )

ka ⋅ Sa + kf ⋅ Sf

⋅ (T1 − T2) = 10186, 4W

=

(13, 4W/m ⋅ K) ⋅ 14307, 8m ⋅ (0, 04W/m ⋅ K) ⋅ 4551, 8m

(13, 4W/m ⋅ K) ⋅ 14307, 8m + (0, 04W/m ⋅ K) ⋅ 4551, 8m

⋅ (70℃ − 14℃)

(A.10)

Donde:

• Qp: Tasa de calor perdida por las paredes. [W ]

A.3. Imágenes del diseño final

Figura A.1: Imagen del sistema de ventilación y calentamiento. (Elaboración Propia)

A.3. Imágenes del diseño �nal 63

Figura A.2: Vista en corte del equipo. (Elaboración Propia)

Bibliografía

[1] ABB. Cecp4111t. https://www.baldor.com/catalog/CECP4111T, 2019. Revisado el 10 defebrero del 2019.

[2] Acua-Calc. Pineapple density. https://www.aqua-calc.com/page/density-table/substance/pineapple-coma-and-blank-raw-coma-and-blank-all-blank-varieties, 2018. Revisadoel 05 de mayo del 2018.

[3] F Beer, R Johnston, J T DeWolf, and D F Mazurek. Mecánica de materiales (6a. ed.): .McGraw-Hill/Interamericana Editores, 2013.

[4] M. E. Bustamante. Deshidratación de frutas tropicales. Universidad de Costa Rica, 1992.

[5] S. Camacho and R. Murillo. Efecto del método de secado, la temperatura y el caudal deaire, sobre el proceso de secado en cacao (theobroma cacao l.). Tesis de Licenciatura,Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 4 2015.

[6] F. Carmona, R. Murillo, and A. Solís. Diseño de un secador de cabina para frutas. Tesisde Licenciatura, Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 9 2012.

[7] Y A Çengel. Transferencia de calor y masa. McGraw-Hill Interamericana de España S.L.,2011.

[8] Y A Çengel. Termodinámica. McGraw-Hill Interamericana de España S.L., 2012.

[9] COBYBSA. Inicio. http://www.cobybsa.com, 2018. Revisado el 10 de febrero del 2019.

[10] Thermal Combustion. Quemadores industriales a gas. https://www.thermalcombustion.com/quemadores-industriales-gas/, 2018. Revisado el 15 de octubre del 2018.

[11] Centro Nacional de Ciencias y Tecnología de Alimentos de la Universidad de Costa Rica.Misión y visión. http://www.cita.ucr.ac.cr/organizacion, 2017. Revisado el 31 de marzodel 2017.

[12] Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica. Inicio. https://www.imn.ac.cr/inicio,2018. Revisado el 26 de junio del 2018.

65

https://www.baldor.com/catalog/CECP4111T

https://www.aqua-calc.com/page/density-table/substance/pineapple-coma-and-blank-raw-coma-and-blank-all-blank-varieties

https://www.aqua-calc.com/page/density-table/substance/pineapple-coma-and-blank-raw-coma-and-blank-all-blank-varieties

http://www.cobybsa.com

https://www.thermalcombustion.com/quemadores-industriales-gas/

https://www.thermalcombustion.com/quemadores-industriales-gas/

http://www.cita.ucr.ac.cr/organizacion

https://www.imn.ac.cr/inicio

66 Bibliografía

[13] Secretaría Ejecutiva de Plani�cación Sectorial Agropecuaria. Indicadores macroeconó-micos agosto 2015. http://www.infoagro.go.cr/MarcoInstitucional/Documents/AEEI/AEEI-2015-032%20Indicadores%20Macroeconomicos%20Agosto.pdf, 2015. Revisado el 30de marzo del 2017.

[14] Cámara Nacional de Productores y Exportadores de Piña. Estadísticas. http://canapep.com/estadisticas/, 2016. Revisado el 30 de marzo del 2017.

[15] Comercial Dehydrator. Support equipment. http://www.dryer.com/SuppEquip.html,2018. Revisado el 05 de mayo del 2018.

[16] EHEDG. Tasks & objectives. https://www.ehedg.org/ehedg/tasks-objectives/, 2017.Revisado el 09 de julio del 2017.

[17] Elvatron. Inicio. https://www.elvatron.com/, 2019. Revisado el 24 de febrero del 2019.

[18] Susanne Flenner. EHEDG Doc 8.- Criterios para el diseño higiénico de equipos. ainia centrotecnológico, Valencia, España, segunda edition, 2004.

[19] G. Kopper. Elaboración de un producto de humedad intermedia a partir de piña (ananascomosus). Tesis de Licenciatura, Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 1990.

[20] Wolfram Alpha LLC. Psychrometric properties. http://www.wolframalpha.com/input/?i=psychrometric+properties, 2017. Revisado el 20 de junio del 2017.

[21] Arun S. Mujumdar. Drying. In Albright’s Chemical Engineering Handbook. CRC Press,nov 2008.

[22] Arun S. Mujumdar. Principles, Classi�cation, and Selection of Dryers. In Handbook ofIndustrial Drying, Fourth Edition. CRC Press, jul 2014.

[23] nyb. Air kits. https://www.nyb.com/air-kits/, 2018. Revisado el 15 de octubre del 2018.

[24] RECOPE. Gas licuado de petroleo (glp). https://www.recope.go.cr/productos/calidad-y-seguridad-de-productos/gas-licuado-de-petroleo-glp/, 2019. Revisado el 24 de febrerodel 2019.

[25] RECOPE. Precios vigentes. https://www.recope.go.cr/productos/precios-nacionales/tabla-precios/, 2019. Revisado el 24 de febrero del 2019.

[26] Jesse O Reed. Dehydrator. https://www.google.com/patents/US2370422, 1945. Revisadoel 24 de mayo del 2017.

[27] G. Saravacos and A.E. Kostaropoulos. Food Dehydration Equipment. Springer Internatio-nal Publishing Switzerland, 2016.

http://www.infoagro.go.cr/MarcoInstitucional/Documents/AEEI/AEEI-2015-032%20Indicadores%20Macroeconomicos%20Agosto.pdf

http://www.infoagro.go.cr/MarcoInstitucional/Documents/AEEI/AEEI-2015-032%20Indicadores%20Macroeconomicos%20Agosto.pdf

http://canapep.com/estadisticas/

http://canapep.com/estadisticas/

http://www.dryer.com/SuppEquip.html

https://www.ehedg.org/ehedg/tasks-objectives/

https://www.elvatron.com/

http://www.wolframalpha.com/input/?i=psychrometric+properties

http://www.wolframalpha.com/input/?i=psychrometric+properties

https://www.nyb.com/air-kits/

https://www.recope.go.cr/productos/calidad-y-seguridad-de-productos/gas-licuado-de-petroleo-glp/

https://www.recope.go.cr/productos/calidad-y-seguridad-de-productos/gas-licuado-de-petroleo-glp/

https://www.recope.go.cr/productos/precios-nacionales/tabla-precios/

https://www.recope.go.cr/productos/precios-nacionales/tabla-precios/

https://www.google.com/patents/US2370422

Bibliografía 67

[28] Midé Engineering Solutions. Air pressure at altitude calculator. https://www.mide.com/pages/air-pressure-at-altitude-calculator, 2018. Revisado el 20 de septiembre del 2018.

[29] Refractarios La Uruca. Papel de �bra cerámica. http://www.refractarioslauruca.com/?papel-de-�bra-cer%C3%A1mica, 2017. Revisado el 10 de febrero del 2019.

[30] O Villegas, F Vargas, J.A Pérez, R García, S Porras, D Meneses, A Quesada, G Delgado,D Alpizar, B Mora, R León, and D. Alfaro. Caracterización y plan de acción para el desarrollode la agrocadena de Piña en la región Huetar Norte. Ministerio de Agricultura y Ganaderíade Costa Rica, Ciudad Quesada, Costa Rica, 2007.

[31] Wattco. Duct heaters. https://www.wattco.com/product_category/duct-heaters/, 2018.Revisado el 15 de octubre del 2018.

[32] TB Wood’s. Coupling selector. http://www.couplingselector.com/tbwoods/sfselect.php,2019. Revisado el 24 de febrero del 2019.

[33] TB Wood’s. Home. https://www.tbwoods.com/, 2019. Revisado el 24 de febrero del 2019.

https://www.mide.com/pages/air-pressure-at-altitude-calculator

https://www.mide.com/pages/air-pressure-at-altitude-calculator

http://www.refractarioslauruca.com/?papel-de-fibra-cer%C3%A1mica

http://www.refractarioslauruca.com/?papel-de-fibra-cer%C3%A1mica

https://www.wattco.com/product_category/duct-heaters/

http://www.couplingselector.com/tbwoods/sfselect.php

https://www.tbwoods.com/

400

1650

200

16

0

387

,50

387

,50

400

1510

200

291

5,49

1

1

22

2000 2000 2000

225

275

620

63,18

195

1,16

443

,28

19,05 X 2

925

237,50 237,50 237,50

1000

215,90

42,15

235

180

1

1

1

1

1

2

2

1 111

1

1

1

1

48 x Platina 1/4"x 50 mm de Inox. 316 L

Leyenda

Círculo # Descripción

1 2 láminas de Insulceramic 5 mm + 2 láminas de 1/16 de Inox. 316L

2 1 lámina de 1/16" de Inox. 316L

Triángulo # Descripción

1 Tubo de 100 mm x 100 mm con paredes de 1/4" de Inox. 316 L

2 Tubo de 50 mm x 50 mm con paredes de 1/4" de Inox. 316 L

Secador A2

HOJA 1 DE 2ESCALA:1:20

Autor:

TÍTULO:

NO CAMBIE LA ESCALA

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

Diseño de un secador discontinuo de túnel para piña con sistema de recuperación de la humedad.

N.º DE DIBUJO:Enrique Campos V.

Motivo : Trabajo Final de Graduación de Licenciatura de Ingeniería Mecánica


641

,35

723,90

898

,60

1450

51,

16

100

8 x 4

45° 112

B

B

1 1

602,58

851,79

851

678,76

905,54

301,98 2000 1100

500

100

1272,15 4693,95

2000 2000 2000

1000

846,69

1000

SECCIÓN B-B

ESCALA 1 : 20

1 1 11

12

2

2

2 2

2

2

2

2

2

2

2

22

22

22

2

2

2

2

1

Leyenda

Círculo # Descripción

1 2 láminas de Insulceramic 5 mm + 2 láminas de 1/16 de Inox. 316L2 1 lámina de 1/16" de Inox. 316L

Triángulo # Descripción1 Tubo de 100 mm x 100 mm con paredes de 1/4" de Inox. 316 L2 Tubo de 50 mm x 50 mm con paredes de 1/4" de Inox. 316 L


Trabajo Final de Graduación de Licenciatura de Ingeniería Mecánica

Motivo :

Enrique Campos V. N.º DE DIBUJO:

Diseño de un secador discontinuo de túnel para piña con sistema de recuperación de la humedad.

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

NO CAMBIE LA ESCALA

TÍTULO:

Autor:

ESCALA:1:20 HOJA 2 DE 2

A2Secador Corte

Diseæo de un secador discontinuo de tœnel para piæa con ...

Documents

Transcript of Diseæo de un secador discontinuo de tœnel para piæa con ...