Manual SBAN 2013

MANUAL DE PRÁCTICAS

Ref. equipo: SBANC/SBAN Fecha: Noviembre 2012 Pg: 1 / 69

ÍNDICE

7 MANUAL DE PRACTICAS....................................................................................................... 2

7.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO ................................................................................................ 27.1.1 Descripción ...................................................................................................................................................................27.1.2 Posibilidades prácticas .................................................................................................................................................37.1.3 Servicios requeridos.....................................................................................................................................................47.1.4 Dimensiones y pesos ..................................................................................................................................................47.1.5 Especificaciones ...........................................................................................................................................................47.1.6 Componentes especiales de la unidad........................................................................................................................67.1.7 Accesorios requeridos .................................................................................................................................................6

7.2 FUNDAMENTO TEÓRICO..................................................................................................... 77.2.1 Terminología básica.....................................................................................................................................................77.2.2 Aplicación de la psicrometría a la desecación ..........................................................................................................97.2.3 La humedad ................................................................................................................................................................107.2.4 Comportamiento del Aire húmedo...........................................................................................................................107.2.5 Higrómetros................................................................................................................................................................147.2.6 Tabla psicrométrica....................................................................................................................................................157.2.7 Empleo de cartas psicrométricas ..............................................................................................................................157.2.8 Condiciones generales de secado.............................................................................................................................197.2.9 Mecanismo interno de la circulación del líquido....................................................................................................207.2.10 Periodos de desecación..............................................................................................................................................227.2.11 Secadores ....................................................................................................................................................................257.2.12 Coeficientes de transferencia de calor.....................................................................................................................277.2.13 Determinación de la temperatura de la superficie de evaporación.......................................................................29

7.3 PRÁCTICAS DE LABORATORIO.........................................................................................317.3.1 Consideraciones previas a las prácticas ...................................................................................................................327.3.2 Práctica 1: Determinación del rendimiento de las resistencias de precalentamiento .........................................337.3.3 Práctica 2: Efecto del precalentamiento en una instalación de sacado.................................................................367.3.4 Práctica 3: Obtención de curvas de secado .............................................................................................................387.3.5 Práctica 4: Influencia del tamaño de partícula ........................................................................................................417.3.6 Práctica 5: Influencia de la velocidad del aire.........................................................................................................447.3.7 Práctica 6: Influencia de la temperatura del aire .....................................................................................................477.3.8 Práctica 7: Aplicación de la psicrometría en el secado ..........................................................................................50

7.4 APÉNDICE.............................................................................................................................537.4.1 Apéndice A1: Mapa Psicrométrico..........................................................................................................................537.4.2 Apéndice A2: Ejemplo de la determinación de las Propiedades del Aire ...........................................................567.4.3 Apéndice A3: Uso de un mapa psicrométrico ........................................................................................................597.4.4 Apéndice A4: Determinación del caudal de aire ....................................................................................................617.4.5 Apéndice A5: Simulación dinámica de los sistemas de control...........................................................................637.4.6 Apéndice A6: Operación y calibrado de los equipos de proceso y elementos de control..................................67



7 MANUAL DE PRACTICAS

7.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

7.1.1 Introducción

El proceso de secado consiste en la eliminación de humedad de una sustancia

involucrando los fenómenos de transferencia de calor y de masa de forma simultánea.

La transferencia de masa ocurre cuando el sólido pierde humedad y la transferencia de

calor sucede cuando el aire entrega calor al sólido, el cual se utiliza para la evaporación

del agua que se va añadiendo al aire a medida que transcurre el proceso de secado.

La unidad desarrollada en EDIBON emplea una de las formas más usuales de

secado que consiste en hacer circular una corriente de aire sobre el material que se

pretende secar.

7.1.2 Descripción

El secador de bandejas “SBANC” es un equipo de dimensiones especiales

adecuadas para laboratorios, diseñado para estudiar problemas de mecánica de fluidos,

química de superficies, estructuras de sólidos, y balances de materia y energía

asociados con el comportamiento general del secado.

El equipo está formado básicamente por:

• Túnel de acero inoxidable.

• Ventilador axial.

• Resistencias de calentamiento.



• Sistema de control.

• Bandejas de secado.

• Célula de carga.

• Sensor de Presión diferencial.

El ventilador de flujo axial está situado a la entrada del túnel de secado. Éste

introduce aire previamente humedecido en dicho túnel. El sensor de presión diferencial

nos permite determinar el caudal de aire introducido. Las resistencias, situadas a

continuación del ventilador, calientan el aire y regulan la temperatura.

El equipo dispone de tres higrómetros estratégicamente situados que nos

permite determinar las exigencias de humedad, temperatura, etc. óptimas para el

proceso de secado. Estos higrómetros están constituidos por dos sensores de

temperatura, uno de ellos envuelto en una funda absorbente (bulbo húmedo) y otro

(bulbo seco) esta directamente colocado en el túnel. Sus medidas junto con la

utilización de un diagrama psicrométrico permite conocer el grado de humedad,

entalpia, etc.

7.1.3 Posibilidades prácticas

Este equipo permite las siguientes posibilidades prácticas:

Práctica 1: Determinación del rendimiento de las resistencias de

precalentamiento

Práctica 2: Efecto del precalentamiento en una instalación de sacado

Práctica 3: Obtención de curvas de secado

Práctica 4: Influencia del tamaño de partícula



Práctica 5: Influencia de la velocidad del aire

Práctica 6: Influencia de la temperatura del aire

Práctica 7: Aplicación de la psicrometría en el secado

7.1.4 Servicios requeridos

Suministro eléctrico: Monofásico a 220-110 V / 50-60 Hz y 3,5 kW.

7.1.5 Dimensiones y pesos

Dimensiones del equipo: 2000x320x400 mm aprox.

Volumen del embarque: 1.5 m3 aprox.

Peso neto: 190 Kg aprox.

Peso bruto: 230 Kg aprox.

7.1.6 Especificaciones

En la imagen siguiente se puede ver un diagrama del equipo SBANC.

Posteriormente se muestra una tabla en la que se han indicado todos los

elementos que lo forman.



Figura 1.5.1. Diagrama del Secador de Bandejas

Identificación Descripción

ST-1 Sensor de Temperatura (Bulbo Seco); Higrómetro 1

ST-2 Sensor de Temperatura (Bulbo húmedo); Higrómetro 1

ST-3 Sensor de Temperatura; Resistencia de Bastidor







SP-1 Sensor de Presión diferencial; Caudalímetro de Aire

SF-1 Célula de carga

SH-1 Sensor de humedad

AR-1 Resistencia de Bastidor (3000 kW)

AVE-1 Ventilador trifásico

Tabla 1.5.1.

7.1.7 Componentes especiales de la unidad

Conducto regular en acero inoxidable de aprox. 1000x320x320 mm que

incluye un soporte, una puerta de aprox. 360x275 mm, un conjunto de cuatro bandejas

de aprox. 330x250x25 mm. Una tobera cuadrada de aprox. 300 mm de longitud y entre

315 y 100 mm de diámetro. En este conducto va incluido un ventilador helicoidal

blindado, un regulador de velocidad, un protector del ventilador y un anemómetro.

Célula de carga y sensores de temperatura.

7.1.8 Accesorios requeridos

• Sólidos mojados (arena), de diferentes tamaños.



7.2 FUNDAMENTO TEÓRICO

El desecado de sólidos consiste, generalmente, en separar un líquido de un

sólido por evaporación y no mediante métodos mecánicos, aunque en ocasiones se

emplean métodos de esta naturaleza porque son menos costosos y su utilización es

mucho más sencilla.

7.2.1 Terminología básica

Base de peso húmedo es la que expresa la humedad de un material como el

porcentaje del peso del sólido mojado.

Base de peso seco es la expresión de humedad de sólidos mojados en kg de

agua por kg de sólidos completamente secos. Se recomienda para las prácticas utilizar

la base de seco, ya que la variación del porcentaje de humedad es constante para todos

los niveles de ésta.

Cambio de humedad no realizado es la relación entre la humedad libre en un

instante concreto y la que había inicialmente.

Contenido crítico de humedad es el contenido de humedad medio una vez

que el periodo de velocidad constante ha concluido.

Contenido de humedad de equilibrio es la humedad extrema a la que un

material concreto se puede desecar, en condiciones específicas de temperatura y

humedad del aire.

Contenido de humedad libre es el líquido que se puede separar de un sólido

con una temperatura y humedad concreta. Este valor incluye la humedad no ocluida o

retenida.

Difusión interna se define como el movimiento del líquido o el vapor a través



de un sólido, como resultado de una diferencia de concentración.

Distribución inicial de humedad se refiere a la distribución de humedad en

un sólido al iniciarse el proceso de secado.

El contenido de humedad de un sólido se expresa normalmente como la

cantidad de humedad por unidad de peso de sólido tanto seco como húmedo.

El gradiente de humedad de un sólido se refiere a la distribución de agua

dentro de un sólido en un momento determinado del proceso de desecación.

Flujo capilar es el paso de un líquido por los intersticios y sobre la superficie

de un sólido, provocado por la atracción molecular líquido-sólido.

Humedad no ocluida en un material hidroscópico es la humedad excesiva en

relación con el contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la humedad de

saturación. Todo el contenido de agua de un material no hidroscópico es agua no

ocluida o retenida.

Humedad ocluida en un sólido está formada por el líquido que queda ocluido

por retención en diminutos capilares, por solución en celdas o paredes fibrosas, por

solución homogénea a lo largo del sólido, o por absorción física o química en las

superficies del sólido, a una temperatura concreta.

Material no hidroscópico es aquel que no contiene humedad ocluida alguna.

Material hidroscópico es aquel que puede contener humedad ocluida.

Periodo de velocidad constante es un periodo del proceso de desecado

durante el cual la eliminación de agua por unidad de superficie desecada es constante o

uniforme.



Periodo de velocidad decreciente es un periodo del proceso de desecado

durante el cual la velocidad instantánea de secado disminuye de forma continua.

Punto de saturación de fibra es el contenido de humedad de materias

celulares (ej.: la madera): las paredes celulares están totalmente saturadas en tanto que

las cavidades carecen por completo de líquido. Se suele definir como el contenido de

humedad de equilibrio cuando la humedad de la atmósfera circundante llega a la

saturación.

7.2.2 Aplicación de la psicrometría a la desecación

En cualquier proceso de secado la temperatura y la velocidad a la que se

produce la vaporización del líquido dependen de la concentración de vapor en la

atmósfera circundante, suponiendo que el suministro de calor sea el adecuado. En casi

todas las operaciones de secado, el agua es el líquido y el aire el gas de purga. Para

fines de desecación existen cartas psicrométricas realmente útiles.

7.2.2.1 Evaporación a partir de una superficie húmeda

El grado de evaporación de una superficie mojada al aire circundante se

determina por la diferencia entre la presión del vapor de la superficie líquida (presión

de saturación que se corresponda con la temperatura de la superficie) y la presión del

vapor en el aire circundante. Esta segunda presión se determina por la presión total del

aire y la humedad absoluta.

En un recinto cerrado el proceso continuaría hasta que las dos presiones de

vapor se igualan, es decir hasta que el aire quede saturado a la misma temperatura que

la superficie húmeda. Sin embargo, si se hace circular constantemente aire no saturado,

la superficie húmeda alcanzará una temperatura de equilibrio a la cual el efecto del

enfriamiento debido a la evaporación es igual al traslado del calor del líquido por



conducción y convección desde el aire, que bajo estas condiciones estará a una

temperatura más alta.

La temperatura de equilibrio alcanzada por la superficie mojada bajo estas

condiciones adiabáticas, esto es en ausencia de pérdidas ó ganancia de calor externo, es

la temperatura de bulbo húmedo, bien conocida en la hidrometría.

7.2.3 La humedad

El contenido de vapor de agua contenido en el aire se denota mediante la

“Humedad”. A continuación se expone algunos importantes conceptos sobre la

humedad:

“Humedad absoluta o específica”: (w) definida como la proporción de Masa

de Vapor de Agua/Masa de Aire Seco (kg/kg)

Humedad relativa (φ): es la relación entre la presión parcial del vapor de agua

en el aire/ presión de saturación del vapor de agua a la misma temperatura.

Saturación de porcentaje: viene definido por la proporción de Masa de vapor

de agua en un volumen dado de aire/ masa de vapor de agua saturada en el mismo

volumen y a la misma temperatura.

Se puede considerar que a las condiciones en las que opera la unidad de aire

acondicionado, hay muy poca diferencia entre la Humedad relativa y Saturación de

porcentaje, y por conveniencia se consideran iguales.

7.2.4 Comportamiento del Aire húmedo

En primer lugar debemos enumerar las leyes de Dalton y Gibb:

1.- Cada Gas o vapor en una mezcla gaseosa obedece a sus propias leyes



físicas como si fuese el único ocupante del espacio, en las mismas condiciones de

temperatura que la mezcla.

2.- La entalpía, energía interna (U) y entropía (S) de una mezcla es la suma

de entalpías, energías internas y entropías respectivamente, que cada constituyentes

tendría si estuviese ocupando el espacio en solitario a la misma temperatura que la

mezcla.

Consideremos el siguiente ejemplo para determinar la humedad relativa del

aire, para unas condiciones de temperatura, presión y humedad dadas.

Ejemplo: Sea una aire a 20ºC a presión atmosférica y con una humedad

específica (w) de 0,01 kg/kg ( masa de vapor/masa de aire seco). En estas condiciones,

la densidad de este aire será de 1,2 kg m-3. Dadas estas condiciones, la composición del

aire vendrá dada por:

Para 1,0 m3, tendremos:

100·1.2/101=1.188 kg de aire seco (gas)

1·1,2/101=0.012 kg de H20.



Figura 2.5.1.

A partir de la ley de Dalton, el vapor de agua se comporta como si fuese el

único ocupante del espacio (1 m3). Por lo tanto, el agua a 20ºC tiene un volumen

específico de:

1.0/0.012 = 83 m3kg-1 ( punto A en la gráfica anterior)

En las tablas de vapor, podemos ver que a 20ºC, vg=57.8 m3kg-1 y psat=0.0234

bar (punto B). El vapor en A por lo tanto está supercalentado y a una presión menor que

0.0234 bar.

A bajas densidades, el vapor de agua obedece a la ley de Boyle, por tanto

BBAA VPVP = [2.5.1]

PA=(0.0234x57.8)/83=0.0163 bar.



La humedad relativa del aire, viene definida como la relación:

ra temperatumisma la a saturado vapor dePresión vaporde actualPresión

=φ [2.5.2]

Por lo tanto la humedad relativa del aire es:

(0.0163/0.0234)x100=69%

Si la muestra de aire se enfría a 14ºC a volumen constante, el vapor se

saturará ( punto C de la gráfica anterior 14ºC y Vg=83 m3/kg). Esta temperatura se

conoce como punto de rocío.

Si se enfría el aire, en equilibrio térmico, a una temperatura por debajo del

punto de rocío, el vapor que contiene debe licuarse. Por ejemplo, se enfriamos la

muestra a 5ºC (punto D) cuando inicialmente el volumen vg=147 m3/kg, la fracción de

sequedad (x) será:

56.014783

vv

g

== [2.5.3]

por lo tanto, de los 0.012 kg de H2O en el aire, 0.0067 kg será vapor saturado a punto

de rocío y 0.0053 kg será agua saturada (líquido). El líquido puede aparecer en forma

de neblina (gotas de agua suspendidas) o como condensación en la superficie de

enfriado.

De los expuesto anteriormente, podemos concluir que cuanto mayor sea la

humedad relativa del aire, mas difícil se hace la absorción de vapor a menos que

aumente la temperatura del mismo.



7.2.5 Higrómetros

Los higrómetros son instrumentos para medir el contenido de agua en la

atmósfera. En nuestro caso, para el SBANC se ha dispuesto del bien conocido

higrómetro de bulbo húmedo y seco.

En este higrómetro, el bulbo húmedo está encamisado en una tela de algodón

que a su vez esta conectado a un depósito con agua destilada. La evaporación originada

en la camisa hace que la temperatura indicada en ese termómetro sea inferior a la

indicada en el bulbo seco, correspondiendo con la temperatura de vapor saturado.

La observación de esas temperaturas, junto con el mapa psicrométrico nos

permite determinar la humedad y otras propiedades del aire.

La presión de vapor del agua en la atmósfera se puede obtener mediante la

ecuación de Regnault, August y Apjohn, es decir:

)TT(p10x666.6pp HSt4

satHs −−= − [2.6.1]

donde :

ps es la presión del vapor de agua en el aire.

PsatH es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de bulbo

húmedo.

Pt es la presión total del aire (mbar)

TS es la temperatura de bulbo seco (ºC)

TH es la temperatura de bulbo húmedo (ºC).



7.2.6 Tabla psicrométrica

Mientras que las leyes de Dalton y Gibb nos permiten calcular las

propiedades del aire húmedo, en la práctica es más conveniente el uso de los mapas

psicrométricos.

Estos mapas son válidos para una determinada presión. Si la presión de

trabajo difiere considerablemente de la utilizada para la obtención del mapa (superior o

inferior a 20 mbar) es conveniente utilizar el mapa psicrométrico correspondiente a esa

presión.

7.2.6.1 Efecto de la velocidad del aire en la lectura del bulbo húmedo.

La temperatura de bulbo húmedo, utilizada en los mapas psicrométricos es la

indicada en el sensor de bulbo húmedo colocado en una corriente de aire que circule a

una velocidad superior a 3.5 m/s.

Para humedades relativamente altas, puede haber escaso margen de error, si

el sensor se coloca en una corriente que circule a una velocidad más reducida, pero a

humedad más reducidas se puede producir un margen de error importante (ver apéndice

A2).

7.2.7 Empleo de cartas psicrométricas

1.- La línea de temperatura de bulbo húmedo o de saturación da el peso

máximo de vapor de agua que puede llevar un kilogramo de aire seco en la intersección

con la temperatura de bulbo seco mostrada en la abscisa a la humedad de saturación.

La presión parcial de agua en el aire es igual a la presión de vapor a la misma

temperatura. La humedad de saturación se define por medio de la siguiente ecuación:



9,28/18)spP(sp

sH⋅−

= [2.8.1]

donde:

Hs [kg/kg de aire seco] es la humedad de saturación,

ps es la presión de vapor del agua a la temperatura ts,

P es la presión absoluta, y

18/28.9 es la relación entre los pesos moleculares del agua y del aire

respectivamente.

Del mismo modo, la humedad en cualquier condición menor que el nivel de

saturación se expresa como:

9,28/18)pP(p

H⋅−

= [2.8.2]

2.- El porcentaje de humedad relativa se define mediante la siguiente

expresión:

⋅=

psp

100RH [2.8.3]

donde:

p es la presión de vapor de agua en el aire,

ps es la presión de vapor de agua a la misma temperatura, y

HR es el porcentaje de humedad relativa.



3.- Los volúmenes húmedos se identifican por medio de las curvas “Volumen

m3/kg de aire seco”. Los volúmenes se representan gráficamente como funciones de

humedad y temperatura absoluta. La diferencia entre el volumen específico del aire

seco y el volumen específico del aire húmedo a una temperatura determinada, es el

volumen de vapor de agua.

4.- Los datos de entalpía se estipulan sobre la base de kJ/kg de aire seco. Los

datos de entalpía de saturación resultan precisos únicamente cuando se obtienen a

partir de datos de humedad y temperatura que están dentro de los márgenes de humedad

y temperatura de saturación. Las curvas de corrección de entalpía permiten las

correcciones de entalpía para humedades por debajo de los niveles de saturación y

muestran cómo las líneas de temperatura de bulbo húmedo no coinciden con las líneas

de enfriamiento adiabático de entalpía constante.

5.- En ciertas cartas psicrométricas no aparecen líneas para los calores

húmedos. Una expresión que sirve para su obtención es la siguiente:

H87,10,1sC ⋅+= [2.8.4]

donde:

Cs [kJ/(kg·K)] el calor húmedo de aire húmedo,

1.0 es el calor específico del aire seco [kJ/(kg·K)],

1.87 es el calor específico del vapor de agua [kJ/(kg·K)], y

H la humedad absoluta [(kg/kg)] de aire seco.

6.- Las líneas de temperaturas de bulbo húmedo representan también las

líneas de saturación adiabática para el aire y el vapor de agua. Estas se basan en la

relación:



)stt(sCHsH −⋅

λ=− [2.8.5]

donde:

Hs y ts son la humedad y la temperatura de saturación adiabática

respectivamente, que corresponden a las condiciones del aire representadas por H y t,

Cs es el calor húmedo a la humedad H.

Cs/λ es la pendiente de esta curva, en la que λ es el calor latente de

evaporación a ts. Estas líneas denotan la relación entre la temperatura y la humedad del

aire que pasa por un secador continuo que funciona de forma adiabática. La

temperatura de bulbo húmedo se establece gracias al equilibrio dinámico entre la

transmisión de calor y la transferencia de masa cuando el líquido se evapora de una

masa pequeña hacia una masa de gas muy grande, de forma que ésta última no sufra

ningún cambio de temperatura o humedad. Esto se expresa mediante la siguiente

relación:

)aHwH(g'k)wtt(ch −⋅λ⋅=−⋅ [2.8.6]

donde:

h es el coeficiente de transmisión de calor por convección [J/(m2·s·kg)],

t [K]es la temperatura del aire,

tW [K] es la temperatura de bulbo seco del aire,

k’g [kg/(s·m2)(kg/kg)]es el coeficiente de transferencia de masa,

λ [J/kg] es el calor latente de evaporación a la temperatura tW ,



HW [(kg/kg)] es la humedad saturada de aire seco a tW, y

Ha [(kg/kgde aire seco)] es la humedad del aire circundante.

En la mezcla de aire y vapor de agua, sucede que hc/k’g = Cs

aproximadamente, aunque no existe ninguna razón teórica para ello. Por tanto:

λ=

−

−

g'kch

twtaHwH

[2.8.7]

El último término de la ecuación representa la pendiente de las líneas de

temperatura del bulbo húmedo, y también es igual a λsC (la pendiente de las líneas

de saturación adiabática, que se indicó anteriormente).

7.2.8 Condiciones generales de secado

El secado de sólidos incluye dos procesos fundamentales y simultáneos:

1) La transmisión de calor para evaporar el líquido.

2) La transmisión de masa en forma de líquido o vapor dentro del sólido, y

en forma de vapor desde la superficie.

Los factores que regulan la velocidad de estos procesos determinan la rapidez

o índice de desecación. Las operaciones de secado industrial pueden emplear

transferencia de calor por conducción, convección o radiación, o inclusive una

combinación de ellas. Pero en cada caso, el calor debe fluir hacia la superficie exterior y

luego al interior del sólido.

La masa se transfiere durante la desecación en forma de líquido o vapor

dentro del sólido, y como vapor que se desprende de las superficies expuestas. El



movimiento dentro del sólido se debe a un gradiente de concentraciones que depende

de las características del mismo.

Un estudio de la forma de desecado de un sólido se puede basar en el

mecanismo interno del flujo del líquido o en el efecto de las condiciones externas de

temperatura, humedad, etc., en la velocidad de desecación del sólido. La segunda es la

más empleada, debido a que sus resultados son más fácilmente aplicables al diseño y a

la evaluación de equipos.

7.2.9 Mecanismo interno de la circulación del líquido

La estructura del sólido determina el mecanismo interno por el cual puede

ocurrir la circulación o flujo del líquido. Entre estos mecanismos se incluyen:

• la difusión en sólidos homogéneos continuos,

• el flujo capilar en sólidos granulados y porosos,

• el flujo provocado por gradientes de concentración y presión,

• el flujo producido por gravedad, y

• el flujo originado por una secuencia de vaporización y condensación.

En general, durante la desecación es un mecanismo el que predomina en un

periodo de tiempo concreto dentro del sólido, pero es normal que haya distintos

mecanismos en un mismo proceso, y que cada uno de ellos predomine en un periodo

diferente cada vez.

La siguiente clasificación de sólidos está basada en el flujo capilar y en la

difusión, y ha sido realizada por Houguen, McCauley y Marshall:

Flujo capilar. La humedad contenida en los intersticios de sólidos, en forma



de líquido en la superficie o de humedad libre en las cavidades celulares, se desplaza

por gravedad y capilaridad, siempre que existan pasadizos para un flujo continuo. En la

desecación, el flujo de líquido provocado por capilaridad se aplica a los líquidos que no

están en solución y a toda humedad por encima del punto de saturación de fibra, como

sucede en textiles, papel y pieles, y a toda humedad por encima del contenido de la

humedad de equilibrio a la saturación atmosférica, como sucede en polvos finos y

sólidos granulares, tales como pigmentos de pintura, minerales, arcillas, suelos y arena.

Difusión de vapor. La humedad se desplaza por acción de la difusión de

vapor a través del sólido, siempre y cuando se haya establecido un gradiente de

temperatura por calentamiento que cree así un gradiente de presión de vapor. La

vaporización y la difusión de vapor pueden ocurrir en cualquier sólido en el que se

caliente la superficie de unos gránulos y se deseque la superficie de otros, de manera

que el líquido quede aislado entre dichos gránulos.

Difusión de líquidos. El movimiento de líquidos por difusión se restringe al

contenido de humedad de equilibrio por debajo del punto de saturación atmosférica, y a

sistemas en los que la humedad y los sólidos son solubles. El primer ejemplo se

restringe a las últimas etapas de desecación de las arcillas, almidones, harina, textiles,

papel y madera; el segundo incluye el desecado de jabones, gomas, gelatinas y pastas.

Condiciones externas. Las principales variables externas comprendidas en

cualquier estudio de desecación son la temperatura, la humedad, el flujo de aire, el

estado de subdivisión del sólido, la agitación del mismo, el método de sustentación de

éste, y el contacto entre las superficies calientes y el sólido mojado. No siempre

aparecerán todas estas variables.



7.2.10 Periodos de desecación

Al efectuar un ensayo de desecación de un sólido se toman una serie de datos

con los cuales se obtienen las gráficas contenido de humedad (W) vs. tiempo (θ ) y

velocidad de secado (dW/dθ ) vs. contenido de humedad. La primera gráfica muestra

cómo generalmente los sólidos mojados pierden humedad: primero cuando se produce

la evaporación desde la superficie saturada del sólido, a continuación, cuando se

produce la evaporación desde la superficie saturada que tiene un área gradualmente

decreciente y, por último, cuando el agua se evapora en el interior del sólido. La otra

gráfica analiza la variación de la velocidad de secado en función de la humedad. Estas

gráficas demuestran que el secado no es un proceso suave y continuo, a lo largo del

cual un solo mecanismo ejerce el control.

Hay tres periodos del proceso de desecación. El primero, de poca duración,

representa el periodo de calentamiento de los sólidos. A continuación comienza el

periodo de velocidad de desecación constante, que finaliza al llegar al contenido crítico

de humedad. A partir de este punto comienza a descender el índice de desecación Esta

curva es el periodo de velocidad decreciente y se caracteriza porque la velocidad varía

constantemente.

7.2.10.1 Periodo de velocidad de desecación constante

En este periodo, el movimiento de la humedad dentro del sólido para

mantener una condición saturada en la superficie, y la velocidad de desecación se

controlan por medio de la velocidad de transmisión de calor a la superficie de

evaporación. El secado se desarrolla por difusión del vapor desde la superficie saturada

del material al ambiente que lo rodea mediante un flujo de aire. La velocidad de



transferencia de masa se equilibra con la velocidad de transmisión de calor, y la

temperatura de la superficie saturada permanece constante. El mecanismo de un cuerpo

de agua es independiente de la naturaleza del sólido.

Si el calor se transmite esencialmente por convección, la temperatura de la

superficie es igual a la temperatura de bulbo húmedo. Si el calor se transmite por

cualquier otra forma o combinación de formas, la temperatura de la superficie saturada

se encuentra entre la de bulbo húmedo y la del punto de ebullición del agua. En tales

condiciones, la velocidad de transmisión de calor se incrementa, y en consecuencia, se

obtiene una mayor velocidad de desecación.

Cuando el calor para la evaporación en este periodo se transmite a través de

un gas caliente, se establece un equilibrio dinámico entre la velocidad de calor al

material (w) y la velocidad de eliminación del vapor desde la superficie (θ ).

pAgkt

Athddw

∆⋅⋅=λ∆

⋅⋅=θ

[2.11.1]

donde:

dw/dθ [kg de agua/s]es la velocidad de secado,

ht [J/(m2·s·kg)] es el coeficiente global de transmisión de calor,

A [m2]es el área de transferencia de calor y evaporación,

λ [J/kg]es el calor latente de vaporización a t’s;

kg [kg/(s·m2·atm)] es el coeficiente de transferencia de materia ,

∆ t es la diferencia entre t y t’s, y se refiere a la temperatura de bulbo seco

[K], (en la que t es la temperatura del gas),



∆ p es la diferencia entre ps (presión parcial del vapor de agua a la

temperatura de la superficie t’s, en atmósferas) y p (presión parcial del vapor de agua en

el gas en atm)

La magnitud de la velocidad en el periodo de velocidad constante depende de

tres factores externos, puesto que el mecanismo interno del flujo del líquido no afecta a

la velocidad constante.

7.2.10.2 Periodo de velocidad decreciente

Cuando el contenido decreciente de humedad es superior al contenido crítico,

y el contenido de humedad es inferior al crítico, todo el proceso de secado se desarrolla

en condiciones de velocidad decreciente.

El periodo de velocidad decreciente se divide en dos zonas:

la zona de desecación de superficie no saturada,

y la zona en la que el movimiento interno de la humedad es el que ejerce el

control.

En la primera zona no toda la superficie de evaporación se puede manejar

saturada por el movimiento de humedad dentro del sólido. La velocidad de desecación

disminuye en la parte no saturada, y, en consecuencia, disminuye la velocidad global.

Conforme continúa la desecación, se llega a un punto en el que la superficie

de evaporación está insaturada. El punto de evaporación se desplaza internamente al

sólido, y el periodo de secado entra en la segunda zona de velocidad decreciente. La

velocidad de desecación está regida ahora por la velocidad del movimiento interno de la

humedad y la influencia de las variables internas va en disminución.



7.2.11 Secadores

Existen diversas formas de clasificar los equipos de desecación. Las dos

maneras más útiles se basan en:

el método de transmisión de calor a los sólidos húmedos, y

las características de manejo y las propiedades físicas del material mojado.

El primer método revela las diferencias de diseño y de funcionamiento,

mientras que el segundo método es más útil para seleccionar entre un grupo de

secadores que se someten a una consideración de desecación específica.

Existe otra forma de clasificar los secadores: se pueden clasificar como

directos e indirectos. Los directos se caracterizan por un contacto directo entre el gas

caliente y el sólido húmedo, mientras que en los indirectos el calor se transfiere al

sólido húmedo por conducción a través de una pared de retención de sólidos, casi

siempre metálica.

7.2.11.1 Secadores de bandejas y compartimentos por lotes

Un secador de bandejas o compartimentos es un equipo totalmente aislado y

cerrado en el cual los sólidos se colocan en grupos de bandejas, y los objetos grandes se

colocan amontonados en pilas o en repisas. La transmisión de calor puede ser directa

del gas a los sólidos, utilizando grandes volúmenes de aire caliente, o indirecta,

utilizando repisas o bases calentadas, serpentines de radiador o paredes refractarias en

el interior de la cubierta. En unidades de calor indirecto, exceptuando los equipos de

parrillas o repisas al vacío, casi siempre se necesita la circulación de una pequeña

cantidad de gas para eliminar el vapor de humedad del compartimiento de secado y

evitar la saturación, y por lo tanto, la condensación. Las unidades de compartimientos



se emplean para secar y calentar madera, cerámica, materiales en hojas, objetos

pintados y metálicos. Es esencial que la carga de las bandejas tenga una profundidad

uniforme en las secadoras en las que se tratan sólidos particulados.

El control del equipo de bandejas y compartimientos se mantiene por lo

común mediante la regulación de la temperatura del aire circulante (así como la

humedad) y rara vez a través de la temperatura de los sólidos. En secadores directos con

frecuencia se emplean controladores de ciclo. Por ejemplo, se emplean temperaturas de

aire durante el periodo de desecación constante, en tanto que la temperatura de la

superficie de los sólidos se mantiene cerca de bulbo húmedo.

7.2.11.2 Secadores de bandejas con calor directo

El funcionamiento satisfactorio de los secadores de bandejas depende del

mantenimiento de una temperatura constante y de una velocidad de aire uniforme, pero

sobre todo del material que se esté secando.

Conviene que el aire circule a una velocidad comprendida entre 1m/s y

10m/s, para mejorar el coeficiente de transferencia de calor en la superficie y evitar la

formación de bolsas de aire. La gran problemática de este tipo de secadores es

conseguir una uniformidad en el flujo de aire.

Los secadores de bandejas pueden ser de tipo carretilla o bandejas

estacionarias. En el primer tipo, las bandejas se cargan sobre carretillas que se empujan

al interior del secador, y en el segundo, se cargan sobre bastidores fijos dentro del

secador. En las carretillas se pueden cargar dos hileras de bandejas que tienen una

capacidad para entre 18 y 48 bandejas cada una, dependiendo de las dimensiones de

éstas. Las bandejas pueden ser cuadradas o rectangulares, con una superficie de 0.5m2 a

1m2 cada bandeja, y se fabrican en cualquier material, preferiblemente metálico, que



sea compatible con la corrosión y temperatura existentes en el reactor.

El espacio mínimo entre bandejas debe ser de 4 cm. Cuando el material a

desecar lo permita, se deben emplear bandejas con orificios que permitan un mayor

contacto entre el aire y el sólido húmedo. La profundidad de carga debe estar

comprendida entre 1 cm. y 10 cm.

El medio de calentamiento usual es el vapor. Cuando no se dispone de vapor

o la carga de desecación es pequeña, se puede utilizar calor generado eléctricamente.

Para temperaturas superiores a 450 K, es posible emplear productos de combustión o

calentadores de aire de encendido indirecto. El aire se hace circular con ventiladores

helicoidales o centrífugos, que se montan dentro o encima del secador.

7.2.12 Coeficientes de transferencia de calor

En fenómenos de convección, los coeficientes de transmisión de calor

dependen de la geometría del sistema, de la velocidad del gas sobre la superficie de

evaporación y de las propiedades comunes del gas desecante.

En muchos casos de desecación, el coeficiente de transmisión de calor se

expresa de la siguiente forma:

PcDNG

ch ⋅⋅α= [2.13.1]

donde:

hc [J/(m·s·K)]es el coeficiente de transferencia,

G [kg/(m2·s)] es la velocidad de gas desecante,

Dc [m] es la dimensión característica del sistema, y



N, P y α son constantes empíricas.

Cuando la conducción y la radiación son despreciables, la velocidad

constante de desecación desde una superficie está dada por la siguiente ecuación:

)s'tt(mcD

ANGddw

−⋅

⋅λ⋅⋅α

=θ

[2.13.2]

donde:

dw/dθ [kgde agua/(s·kgde sólido seco)] es la velocidad de secado,

ht [J/(m2·s·kg)] es el coeficiente global de transmisión de calor,

A [m2] es el área de transferencia de calor y evaporación,

λ [J/kg] es el calor latente de vaporización a t’s, y

∆ t = t-t’s, donde t es la temperatura del gas, esto es, la temperatura de bulbo

seco [K]. Cuando el gas es aire y el líquido es agua, t’s es la temperatura del bulbo

húmedo. El resto de incógnitas está detallado en líneas anteriores.

En el caso de aire proveniente de las rendijas, las boquillas o las placas

perforadas, que choca en sentido normal contra la superficie, el coeficiente de

transmisión de calor se obtiene basándose en los datos Friedman y Mueller, como

h=α G0,78, en donde G, la velocidad del centro de masa del gas, se basa en el área total

de transmisión de calor, y depende del área abierta de la placa, del tamaño de las

perforaciones o rendijas, del espaciamiento entre la placa, la boquilla o la rendija, y de

la superficie de transmisor de calor.



7.2.13 Determinación de la temperatura de la superficie de evaporación

Cuando la radiación y la conducción son despreciables, la temperatura de la

superficie de evaporación se acerca a la de bulbo húmedo. En caso contrario la

temperatura de la superficie sobrepasará la de bulbo húmedo, y es necesario

determinarla.

En condiciones de estado estacionario, la temperatura aumenta hasta que la

velocidad de transmisión de calor sensible a la superficie es igual a la velocidad de

eliminación de calor de la superficie por evaporación. Para calcular dicha temperatura

conviene emplear la siguiente ecuación:

)HsH('k)psp(gk −⋅=−⋅ [2.14.1]

donde:

kg [kg/(s·m2·atm)] es el coeficiente de transferencia de masa,

Ma y MW son el peso molecular del aire y el vapor de difusión

respectivamente,

ps es la presión de vapor del líquido a la temperatura de la superficie de

evaporación expresada en atmósferas,

p es la presión parcial del vapor en el aire expresada en atmósferas,

Hs [kg/kgde aire seco] es la humedad de saturación del aire a la temperatura de la

superficie que se está secando,

k’ [kg/(s·m2)] es el coeficiente de transferencia de materia (diferencia unitaria

de humedad), y se obtiene bajo la ecuación: k’ = Pkg(Ma/MW), que es una aproximación



adecuada a humedades reducidas, en la que P es la presión total expresada en

atmósferas. En el caso de aire y agua, k’≈1,6 kg a la presión atmosférica.

Para la conducción y la radiación también existen expresiones más

complejas, pero no las vamos a tratar en este manual.



7.3 PRÁCTICAS DE LABORATORIO

Se debe tener en cuenta antes de realizar las prácticas los siguientes puntos:

Las sondas de bulbo húmedo se deben colocar de forma que el aire circule

libremente entre ellas (lateral paralelo a las paredes del túnel).

Es conveniente utilizar agua destilada para las sondas de bulbo húmedo.

Se puede obtener la medida de humedad relativa mediante la carta

psicrométrica adjunta al equipo, las sondas de bulbo seco y bulbo húmedo, o mediante

un higrómetro (se adjunta de forma opcional).

El peso máximo que soporta la célula de carga es de 7 Kg. Parte de este peso

proviene del conjunto de portabandejas que equivale a unos 2.5 Kg. Además, cada

bandeja pesa unos 300 g.

Se debe tratar de distribuir el peso en los portabandejas de manera que la

mayor parte del peso se sitúe en el centro.

Como medida de seguridad, se debe conectar el ventilador siempre que esté

en funcionamiento la resistencia de calentamiento del bastidor. Cuando ésta deje de

funcionar, se aconseja mantener el ventilador encendido un tiempo para refrigerar el

equipo.

Conviene tener cuidado en el manejo de las bandejas: con el funcionamiento

del equipo se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas.



7.3.1 Consideraciones previas a las prácticas

Todas las prácticas identificadas con “Sistema de Control” hacen referencia a

los procesos previos de calibración y ajuste de parámetros con control necesarios en

cualquier planta piloto controlada por ordenador que disponga de sensores y sistemas

de control. Estos parámetros han sido calibrados desde fabrica por técnicos de

EDIBON y no es necesario su calibración ni puesta en marcha. Si usted no desea

realizar estas primeras prácticas, salte directamente a la práctica , obtención de la curva

de rendimiento del generador de vapor.

Mediante la realización de las prácticas, pretendemos orientar al alumno al

entendimiento del funcionamiento de los diferentes elementos que constituyen el

secador de bandejas; ventilador, resistencias de bastidor, humidificador, etc.

Seguidamente, se han dispuesto una serie de ensayos que permite el estudio del

rendimiento de las diferentes partes del equipo; generador de vapor, procesos de

precalentamiento, para finalizar con el ensayo de secado de bandejas. Estas

condiciones iniciales obligará, en algunos casos, a humidificar, deshumidificar,

calentar, para obtener las condiciones óptimas para un buen secado.

En la unidad SBAN se han dispuesto de 3 higrómetros a lo largo del túnel.

Estos higrómetros están formados por un sensor de temperatura en contacto con el aire

(bulbo seco) y un sensor de temperatura cubierto por una camisa porosa completamente

húmeda (bulbo húmedo). Es necesario, antes de comenzar con cada una de las

prácticas, verificar que los depósitos de agua de los bulbos húmedos estén llenos.

Recomendamos la utilización de agua destilada.



7.3.2 Práctica 1: Determinación del rendimiento de las resistencias de

precalentamiento

7.3.2.1 Objetivos

El objeto del ensayo es determinar el rendimiento calefactor de las

resistencias de bastidor asociadas con el precalentamiento. El rendimiento lo vamos a

definir como el cociente entre el incremento de entalpía del aire frente la potencia

eléctrica aplicada a las resistencias.

7.3.2.2 Materiales requeridos

Para la realización de esta práctica se requieren los siguientes elementos:

• Equipo SBANC

• Programa SACED-SBANC

7.3.2.3 Procedimiento de Ensayo

Para la realización del ensayo se realizarán los siguientes pasos:

1. Fije un caudal de aire mediante la regulación de la velocidad del

ventilador.

2. Fije un una potencia eléctrica para la resistencia de precalentamiento AR-

1. Para ello active el control PWM asociado con dicha resistencia.

3. Determine la entalpía del aire a la entrada del túnel (ST-1,ST-2) y la

entalpía a la salida de la resistencia, punto (ST-4,ST-5) del mapa psicrométrico.

5. Calcule el rendimiento mediante la siguiente ecuación:



electrica

AB

P)hh(m −

=µ&

[3.5.1]

6. Repita los pasos anteriores para diferentes caudales de aire y complete la

siguiente tabla.

QAire m3/h

PElectrica

%Wmax

hA kJ/kg hB kJ/kg ∆H µ

10 10

10 30

10 60

10 100

20 10

20 30

20 60

20 100

Tabla 3.5.1

7. Represente gráficamente el incremento de entalpía en función de la

potencia eléctrica aplicada para caudales fijos de aire.

8. Represente gráficamente el rendimiento en función de la potencia eléctrica

para caudales fijos de aire.



Figura 3.5.1. Gráficas orientativas de los valores a obtener



7.3.3 Práctica 2: Efecto del precalentamiento en una instalación de sacado

7.3.3.1 Objetivo

El objetivo de este ensayo es observar el efecto que tiene un

precalentamiento del aire. Es bien sabido que un incremento de la temperatura del aire

favorece una mayor absorción de vapor de agua y por lo tanto de humedad.

7.3.3.2 Elementos necesarios


• Equipo SBANC

• Programa SACED-SBANC

7.3.3.3 Procedimiento de Ensayo

Conecte el generador de vapor al equipo SBANC y marque un punto de

consigna en el que se genere un caudal de vapor constante al equipo.

Fije un caudal de aire.

Fije un caudal de vapor.

Determine para esas condiciones de caudal de aire y vapor, el incremento de

humedad del aire entre los puntos B y A. Para ello, utilice el mapa psicrométrico.

Aplique una potencia eléctrica del 40% a la resistencia de bastidor.

Determine nuevamente el valor del incremento de humedad.

Complete la siguiente tabla:



Para QA y QV fijos.

PEléctrica %Wmax Tresistencia wA WB ∆w

Tabla 3.6.1.

Cambie los caudales de aire y de vapor y anote los resultados.

Represente gráficamente el incremento de humedad en función de la potencia

eléctrica o en función de la temperatura de la resistencia de bastidor.

Figura 3.6.1. Ejemplo de la representación gráfica a obtener utilizando los resultados de la práctica



7.3.4 Práctica 3: Obtención de curvas de secado

7.3.4.1 Objetivos

La obtención y el estudio de las curvas de secado y de velocidad de secado.



• SBANC

• SACED-SBANC

• Arena fina

7.3.4.3 Fundamento teórico

Inmediatamente después de que el sólido húmedo y el fluido desecante

entran en contacto, la temperatura del sólido varía hasta alcanzar el estado estacionario.

La teoría dice que cuando se alcanza este estado, la temperatura es igual a la de bulbo

húmedo del aire, pero debido al retraso en el movimiento de la masa y el calor, ésta es

diferente.

La temperatura del sólido y la velocidad de secado variarán hasta alcanzar el

estado estacionario. Una vez que el material alcanza la temperatura de bulbo húmedo,

las temperaturas son muy estables y la velocidad de secado se mantiene constante, este

es el periodo de velocidad constante, que finaliza cuando alcanza el contenido crítico de

humedad. Llegado este punto, la temperatura de la superficie aumenta y la velocidad de

secado cae de manera continua. Este periodo es el periodo de velocidad decreciente,

que está dividido en dos partes cuya intersección es el punto en el que la superficie del



sólido se encuentra en un estado insaturado.

El periodo de disminución de la velocidad puede ser mucho mayor que el de

velocidad constante, aunque la disminución de la humedad sea menor. La velocidad de

secado tiende a cero al acercarse al punto de equilibrio en el nivel de humedad, el cual

es el mínimo contenido de humedad en el sólido en las condiciones de secado

empleadas.

7.3.4.4 Realización de la práctica

Proceda de la misma forma que en el resto de prácticas. Fije con el software

el tiempo entre las medidas guardadas para tomar los datos de forma correcta.

7.3.4.5 Análisis de resultados

A partir del contenido de humedad, obtenido mediante la ecuación:

seca arena de pesoseca arena de pesohumeda arena de peso

seca arena de pesoliquido de peso

X−

== [3.7.1]

Para cada una de las temperaturas empleadas realice las siguientes

representaciones gráficas:

• Contenido de humedad (X) en función del tiempo

• Velocidad de secado en función del tiempo

• Velocidad de secado en función del contenido de humedad

Identifique cada una de las etapas del proceso de secado según las gráficas.

Determine el contenido de humedad de equilibrio y el contenido crítico de

humedad.



Comente otros puntos de interés que haya observado en las gráficas.

¿Qué implica el contenido de humedad de equilibrio?

7.3.4.6 Tablas y gráficos

Presente los resultados de la siguiente forma:

Peso de arena seca = ________________ kg

Tiempo (min.) 0

Peso de arena húmeda (kg)

Contenido de humedad (X)

Tabla 3.7.1.



7.3.5 Práctica 4: Influencia del tamaño de partícula

7.3.5.1 Objetivos

El estudio de la influencia del tamaño de partícula sobre el proceso de secado

(periodo de velocidad decreciente).

7.3.5.2 Material adicional


• Equipo SBANC

• Software SACED-SBANC

• Arena de diferentes diámetros

7.3.5.3 Fundamento Teórico

Cuando la temperatura del sólido que está siendo secado llega a la

temperatura de bulbo húmedo del gas, comienza la fase de velocidad constante, que

dura hasta que se llega al contenido crítico de humedad. En este momento el

movimiento del líquido hacia la superficie del sólido se hace insuficiente para

remplazar al líquido que se ha ido evaporando, y la interfase del líquido comienza a

alejarse de la superficie.

Ésta es la zona de velocidad de secado decreciente, durante la cual, la

velocidad de secado se encuentra restringida por la velocidad de movimiento interno de

humedad.

La velocidad de secado disminuye porque el calor y la masa fluyen las capas



superiores del sólido. La obtención de un mayor secado dependerá de la facilidad de

movimiento de la humedad a través del sólido. Este desplazamiento está controlado por

una fuerza húmeda que se eleva por diferencias en la altura de columna de agua y en los

efectos de la tensión superficial en los intersticios entre las partículas.


Para la realización de esta práctica siga los siguientes pasos:

Para este experimento necesita seguir los pasos de la práctica anterior.

Repita el proceso completo utilizando una arena de tamaño de grano distinto.

Esta práctica se puede efectuar empleando otro tipo de sustancias con una

estructura completamente diferente, como por ejemplo madera, café, detergentes,

minerales, etc. En ciertos casos la duración del experimento puede alargarse por las

diferencias de la estructura interna y del movimiento interno de la humedad.


Del contenido de humedad que se obtiene mediante la siguiente ecuación:



X−

== [3.8.1]

1.- Para cada uno de los tamaños de partícula empleados realice las

siguientes representaciones gráficas:

• Contenido de humedad (X) vs tiempo

• Velocidad de secado vs tiempo

• Velocidad de secado vs contenido de humedad



2.- Comente los resultados obtenidos y la influencia del contenido de

humedad de equilibrio en particular.

3.- Comente cómo afecta el tamaño de partícula a la humedad crítica.

4.- Comente cómo afecta la naturaleza del sólido a cada una de las etapas del

proceso de desecado.



Tamaño de partícula (µ m)

Peso de arena seca (kg)

Tiempo (min.) 0 0



Tabla 3.8.1.



7.3.6 Práctica 5: Influencia de la velocidad del aire

7.3.6.1 Objetivos

El estudio de la influencia de la velocidad del aire en la velocidad de secado

de un sólido, con unas condiciones de temperatura y humedad constantes.



• Sistema SACED-SBANC

• Equipo SBANC

• Arena


La velocidad de secado con aire de un sólido húmedo cambia a lo largo del

periodo de secado debido al cambio de los factores claves en cada sección de la curva

de velocidad.

En el periodo de velocidad constante, la velocidad de secado es proporcional

a la diferencia de temperaturas de bulbo y bulbo húmedo de la siguiente manera:

( )wagc TThRddw −α=

ϑ[3.9.1]

donde:




hg [J/(m2·s·K)] es el coeficiente de transferencia de calor global,

Ta y Tw son la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo respectivamente,

expresadas en K.

El coeficiente global de transmisión de calor, según investigaciones, es de la

forma hvα Gv0.78, donde G es la velocidad másica del aire.


Para la realización de esta práctica siga los pasos del experimento anterior.


A partir del contenido de humedad, que se obtiene mediante la siguiente

ecuación:



X−

== [3.9.2]

1.- Para cada una de las velocidades empleadas, dibuje las siguientes

gráficas:




2.- Comente los resultados obtenidos y preste especial atención a la relación

existente entre el caudal de aire y la velocidad de secado durante el periodo de



velocidad constante.

3.- Compare los resultados obtenidos experimentalmente con los que

esperaba obtener.

4.- Comente la influencia existente entre la velocidad del aire y la velocidad

de secado en el periodo de velocidad decreciente.

5.- Comente cómo varía el punto de equilibrio de humedad en función de la

velocidad de secado.



Velocidad del aire (m/s)

Peso de arena seca (kg)

Tiempo (min.) 0 0 0



Tabla 3.9.1.



7.3.7 Práctica 6: Influencia de la temperatura del aire

7.3.7.1 Objetivos

El estudio de la influencia de la temperatura del aire en la velocidad de

secado con aire de un sólido húmedo a una velocidad constante.

7.3.7.2 Material Requerido


• Sistema SACED-SBANC

• Arena Fina

• Equipo SBANC


La velocidad de secado con aire de un sólido húmedo cambia a lo largo del

periodo de secado, debido al cambio de los factores claves en cada sección de la curva

de velocidad.

En el periodo de velocidad constante, la velocidad de secado es proporcional

a la diferencia de temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo de la siguiente manera:

( )wavc TThRddw −=

ϑ[3.10.1]

donde :




hg [J/(m2·s·K)] es el coeficiente de transferencia de calor global,

Ta y Tw son la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo respectivamente,

expresadas en K.


Para la realización de esta práctica siga los pasos de las prácticas anteriores.

Mida la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo antes de que el aire pase

a través de las bandejas.

Tome los datos de la masa de arena total en intervalos equidistantes de

tiempo. Dependiendo de la duración de las etapas de secado, escoja la duración de los

intervalos de manera que sean proporcionales a las etapas.

Repita toda la operación para otras temperaturas, manteniendo la masa de

arena húmeda y la distribución de ésta, así como la velocidad de aire lo más constantes

posible.


Del contenido de humedad, que se obtiene mediante la siguiente ecuación:



X−

== [3.10.2]

1.- Para cada una de las temperaturas empleadas, dibuje las siguientes

gráficas:






2.- Comente los resultados obtenidos y preste especial atención a la

influencia de (Ta - Tw) en la velocidad de secado durante el periodo de velocidad

constante. ¿Es realmente una dependencia directa?

3.- Explique la relación entre la humedad de equilibrio y la temperatura del

aire. ¿Podría esta dependencia limitar la temperatura empleada en el secado de cierto

tipo de sólidos?



Velocidad del aire = ______________ (m/s)

Peso de arena seca = _____________ (kg)

Tª bulbo húmedo (ºC)

Tª bulbo seco (ºC)

(Ta - Tw) (ºC)

Tiempo (min.) 0 0 0



Tabla 3.10.1.



7.3.8 Práctica 7: Aplicación de la psicrometría en el secado

7.3.8.1 Objetivos

La obtención de la gráfica de secado en cartas psicrométricas y el uso de los

resultados para obtener un balance de masa del aire.



• Software SACED-SBANC

• Equipo SBANC

• Arena fina

7.3.8.3 Fundamento teórico

Un caudal de aire caliente con masa MA que se pone en contacto con

bandejas que contienen sólidos húmedos, capta un caudal másico de agua MW. Si W1 y

W2 son la humedad específica del aire en las secciones anterior y posterior a las

bandejas respectivamente, se cumple que:

( )21Aw WWMM −= [3.11.1]



Figura 3.11.1.

Considérese MW como velocidad de secado (kg/hr·m2) por el área total de

intercambio de sólido húmedo expresada en m2.


Para la realización de esta práctica siga los pasos de las prácticas anteriores.


Del contenido de humedad que se obtiene mediante la siguiente ecuación:



X−

== [3.11.2]

1.- Dibuje las siguientes representaciones gráficas:

• Contenido de humedad (X) vs tiempo

• Velocidad de secado vs tiempo

• Velocidad de secado vs contenido de humedad.

2.- Dibuje el camino humedad-temperatura (en los puntos ambiente, 1 y 2) en

una carta psicrométrica. Evalúe el flujo de agua (MW), mediante el cálculo de W1 y W2.



3.- Compare los resultados anteriores con los resultados obtenidos mediante

la velocidad de secado en un determinado momento.

4.- Comente, basándose en los resultados obtenidos, la diferencia entre los

valores resultantes de ambos métodos.



Velocidad del aire = ________________ (m/s)

Peso de arena seca = ______________ (kg)

Tiempo (min.) 0

Tª bulbo húmedo (ºC) en 1

Tª bulbo seco (ºC) en 1

Tª bulbo húmedo (ºC) en 2

Tª bulbo seco (ºC) en 2

Tª bulbo húmedo(ºC)ambiente

Tª bulbo seco (ºC) ambiente



Tabla 3.11.1.



7.4 APÉNDICE

7.4.1 Apéndice A1: Mapa Psicrométrico

En la página siguiente figura el mapa psicométrico suministrado con el

equipo.



Figura 4.1.1.



Figura 4.1.2.



7.4.2 Apéndice A2: Ejemplo de la determinación de las Propiedades del Aire

Determinar la entalpía específica (relativa a 0.01ºC), el volumen específico y

contenido de humedad del aire a una presión de 1,013 bares y que tenga una

temperatura de bulbo seco y húmedo de 20ºC y 14ºC, respectivamente.

A partir de las tablas termodinámicas, sabemos que Psat H=15.97 mbar.

Utilizando la expresión de Regnault/August/Apjohn, tenemos:

Ps=15,97-6,6666x10-4 x 1013 ( 20-14) mBar= 11,92 mbar.

La presión de saturación a 20ºC es 23,37 mbar. Por tanto, la humedad

relativa es: 11,92/23,37=51%

De las tablas termodinámicas, la temperatura de saturación del vapor de agua

a 11,92 mbar es de aproximadamente de 9,5ºC. por lo tanto, el vapor se halla sobre

calentado. Se puede obtener se entalpía a partir de tablas o de mapas, o bien se puede

calcula a partir de las siguientes ecuaciones:

H=Hg + Cp vapor x grados sobre calentado (donde Cp es 1,9 kJ para corrientes

de aire)=2517,4+1,9x(20-9,5) kJ/Kg=2537 kJ/Kg.

El volumen específico del vapor de agua en estas condiciones se puede hallar

a partir de las tablas o mapas, o bien se puede calcular con suficiente exactitud

partiendo de las ecuaciones del gas:

V=RT/p, donde R=Ro/M

V=8,3143x103x293/18x0.01192x105 m3/kg=113.52 m3/Kg

Por lo tanto un volumen de 113,52 m3 de aire contendrá 1 kg de vapor de

agua que tendrá una entalpía de 2537 kJ/Kg.



La masa de aire seco en el mismo volumen también se puede hallar partiendo

de la ecuación del gas siempre que se conozca la presión del aire. Pariendo de la ley de

Dalton, pt=pa+pv, podemos determinar la presión parcial del aire, es decir:

Pa=pt-ps=1.013-0,01192=1.001 bar

Y haciendo uso de la ecuación de los gases, determinamos la masa de aire:

M=PaV/RaT=1.001x105x113.52/287.1x293=135kg

La entalpía de esta masa (relativo al punto triple del agua 0.01ºC) resulta

dada por H=M·Cp (T-0.01)=135x1,005(20-0.01) kJ=2714 kJ.

Así pues, 113,52 m3 de aire contendrá:

1 kg de vapor de agua con una entalpía de 2537 kJ.

135 kg de aire seco con una entalpía de 2714 kJ.

Es decir que tenemos 136,52 kg de aire con una entalpía de 5251 kJ o de 38.6

kJ/kg de aire seco. En ocasiones es conveniente expresar la entalpía de la mezcla como:

entalpía de la mezcla / kilos de aire seco, es decir: 5251/135 Kj/kg

El volumen específico de la mezcla se obtiene partiendo de v=V7m, es decir:

V=113.52/136 m3/kg=0.835 m3/kg.

En ocasiones también es útil expresar el volumen específico del aire seco,

V=113,52/135 m3=0.841 m3/Kg de aire seco.

La proporción de masa de vapor de agua/ masa de aire seco, se define como

humedad específica (w):



W=1/135. Kg/kg=0.00740 kg/kg

Todos estos resultados también pueden ser obtenidos mediante el uso de un

mapa psicrométrico.



7.4.3 Apéndice A3: Uso de un mapa psicrométrico

Los resultados obtenidos en el apéndice A2, pueden ser obtenidos mediante

el uso de un mapa psicrométrico. En la siguiente figura se muestra dicho mapa. En el se

representa la temperatura de bulbo húmedo (vapor saturado) y la temperatura del bulbo

seco.

Trazando una línea horizontal desde la temperatura de bulbo húmedo y una

línea desde la temperatura de bulbo seco, el punto de intersección nos da la humedad

relativa y específica.

Figura 4.3.1.



Figura 4.3.2.



7.4.4 Apéndice A4: Determinación del caudal de aire

En las siguientes líneas vamos a desarrollar las expresiones matemáticas que

nos permiten calcular el flujo que pasa a través de una conducción por medio de un

estrangulamiento de la conducción, comúnmente llamado diafragma como se ha

ilustrado en la figura.

Como es sabido, el caudal en una conducción viene determinado por el

producto de la sección de la tubería y la velocidad del fluido, es decir:

11vAQ = [4.4.1]

siendo en un régimen estacionario Q1=Q2. Esta igualdad nos permite expresar la

velocidad del fluido en un lado del diafragma mediante la velocidad del fluido al otro

lado del diafragma, es decir:

21

21 v

AA

v = [4.4.2]

Por otro lado la aplicación de la ecuación de Bernoulli a ambos lados del

diafragma nos lleva a:

222

211 v

21

ghPv21

ghP ρ+ρ+=ρ+ρ+ [4.4.3]

Haciendo uso de las expresiones A.2 y A.3 tenemos operando la siguiente

expresión:

)AA

1(

)PP(2v

21

22

2122

−ρ

−=

[4.4.4]



Dado que el caudal es constante en toda la conducción, conociendo los

parámetros físicos del estrangulamiento (A1, A2), las propiedades físicas del fluido (ρ) y

las presiones en ambos lados de la conducción, es decir:

)PP(·Cte)

AA

1(

)PP(2AvAQ 21

21

22

21222 −•=

−ρ

−==

[4.4.5]



7.4.5 Apéndice A5: Simulación dinámica de los sistemas de control

La simulación dinámica de los sistemas de control permite estudiar la

respuesta del sistema frente a diversas perturbaciones, tales como cambios en las

variables de entrada, en el punto de consigna, o en los ajustes del controlador. El

sistema consta de un bloque que representa el proceso, y de otro que corresponde al

controlador, que a su vez está conectado al primero con el que forma un lazo de

retroalimentación.

El proceso consta básicamente de una entrada (q), una variable manipulada,

también llamada retroalimentación (m) y una salida (c) (variable controlada). La

variable controlada se resta del punto de consigna (r) para obtener el error (e) (entrada

del controlador). El controlador calcula una señal de salida mediante un algoritmo de

control apropiado. La respuesta característica de un controlador on/off viene

determinada por su histéresis o también llamada banda muerta. En un controlador PID

(proporcional-integral-derivativo) la señal viene determinada por la ganancia (Kc) o su

inverso porcentual (BP=100/Kc, banda proporcional) y los tiempos integral (I) y

derivativo (D).

[ ]

∫ ∂∂

+∂+=

−==

)te

Dtee(Kcm

crem,qKpc

[4.6.1]



Figura 4.6.1.

En lazo abierto, las variables de estado (salidas) se calculan a partir de los

valores iniciales y del modelo del proceso. Éste queda definido en forma de ecuaciones

diferenciales para el régimen transitorio, o por ecuaciones de estado para el régimen

estacionario (invariable con el tiempo).

Estas últimas son las técnicas empleadas durante la fase de diseño del

experimento y permiten calcular los valores de las variables de entrada necesarios para

alcanzar el régimen estacionario. Las primeras permiten estudiar los períodos

transitorios durante las fases de puesta en marcha, paradas o cambios en el régimen

estacionario del proceso.

Durante la operación real del proceso, las variables se modifican con el

tiempo a causa de diversas perturbaciones en las variables de entrada o en el punto de

consigna (programado). En estos casos, el proceso sólo puede funcionar correctamente

mediante un lazo cerrado de control.

El comportamiento dinámico del sistema se calcula mediante un algoritmo

iterativo a intervalos discretos de tiempo (método Euler). La primera fase del programa

es la entrada de datos: variables fijas, valores iniciales de las variables manipuladas,



punto de consigna de las variables controladas, ajustes del controlador (histéresis,

parámetros PID) y variables de perturbación.

0

Figura 4.6.2.

El modelo matemático del proceso calcula la salida (Ct) en función de las

entradas (q t, mt ). Este valor se compara con el punto de consigna (rt) y se calcula el

error resultante (et), el error acumulado (integral) o su derivada con el tiempo para lo

cual se utilizan las reglas trapezoidal y los incrementos finitos. Finalmente, con estos

valores, se calcula la salida del controlador (st) y la variable manipulada (mt) haciendo

uso de los ajustes de las acciones de control (H, Kc, I, D) y del calibrado del actuador,

respectivamente.

La relación entre estas dos últimas variables se puede establecer sobre la base

de una función (lineal) entre el ancho del actuador (m) y la señal del controlador (±s).

Además, se pueden incluir comandos de representación gráfica automática de

respuesta (variables controlada y manipulada), tiempos muertos en el proceso (siempre

superior o igual al tiempo de muestreo, t≥∆t) y tiempos de muestreo del controlador

iguales a los del proceso (control analógico) o superiores (control digital).



En caso de que se emplee un registrador gráfico, éste debe estar conectado a

las señales eléctricas del sensor/acondicionador (entrada del controlador) y a la salida

del mismo (entrada del actuador) para obtener un registro de la respuesta del proceso.



7.4.6 Apéndice A6: Operación y calibrado de los equipos de proceso y elementos

de control

La verificación y calibración de todos los sensores dispuestos en el equipo se

puede realizar de la siguiente forma. El sistema SACED que acompaña al equipo

dispone de una ventana de calibración especialmente diseñada para tal propósito, ver

manual de calibración.

Figura 4.6.1.

Una vez introducido el password del profesor, el programa le permite

seleccionar los canales dispuesto en su equipo, tanto para las salidas digitales como

para las analógicas. Verifique cada uno de los elementos dispuestos en el equipo y

realice una buena calibración de los sensores. Debemos indicar que al almacenar los

valores de la calibración en el fichero EDIBON.INI, estos serán recuperados cada vez

que entremos en el programa con indiferencia de los valores introducidos por los

alumnos en las diferentes sesiones de prácticas, siempre que el alumno no almacene.

Al seleccionar las diferentes salidas que dispone la tarjeta conversora; salidas

analógicas y digital, y entradas analógicas y digitales, se puede verificar el

funcionamiento de todos los dispositivos dispuestos en el equipo. Como ejemplo



tenemos la siguiente tabla:

Salidas

Analógicas

Entradas

AnalógicasSalidas Digitales Entradas Digitales

AV-1 (Control

Ventilador)ST-1

AR-2 (Resistencia de Bastidor,

Precalentador)

ST-2

ST-3

ST-4

ST-5

ST-6

ST-7

SP-1

SF-1

Tabla 4.6.1

A estas salidas y entradas hay que sumarle la salida analógica

correspondiente al control de la velocidad del ventilador.

Para la verificación del funcionamiento de cada uno de estos canales, en la

parte inferior de la ventana de calibración, se dispone de un botón de “INICIO”,

activado únicamente bajo Password, y que le permitirá si las acciones comandadas

desde el software tienen una respuesta satisfactoria en el equipo.

Nota: Los diferentes PassWord (profesor y estudiantes) se indican en el

manual de Software M4.



Figura 4.6.1.

Manual SBAN 2013

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