Muchos productos agr�colas requieren un secado post-cosecha para su adecuada
conservaci�n hasta que llegan a los centros de consumo. A�n en el caso de los
productos que se comercializan en forma fresca, el secado ofrece una alternativa
al agricultor cuando existen problemas de transporte o se producen bajas de
precio por sobreproducci�n.
El secado al aire libre, donde los productos se exponen directamente al sol
coloc�ndolos sobre el suelo, es uno de los usos m�s antiguos de la energ�a solar y
es a�n uno de los procesos agr�colas m�s utilizado en nuestro pa�s y en muchos
pa�ses del mundo. Este procedimiento es de muy bajo costo pero puede producir
fuertes mermas ocasionadas por las lluvias durante el proceso de secado y el
ataque de insectos y animales. Por otro lado, la calidad del producto se ve
afectada por la contaminaci�n de polvos e insectos.
En las regiones industrializadas el bajo costo del combustible permiti� hace
varias d�cadas el desarrollo de procesos de secado artificial en gran escala
basados en el uso de combustibles. En los �ltimos a�os, la escasez y mayores
precios de los combustibles ha despertado un nuevo inter�s en el secado basado
en el uso de la energ�a solar, tratando de desarrollar diversas t�cnicas que
permiten solucionar los problemas mencionados en relaci�n al secado al aire libre.
Secar significa remover cantidades de agua relativamente peque�as de cierto
material. El t�rmino se emplea tambi�n al extraer l�quidos org�nicos de materiales
s�lidos. El secado es un proceso en el que se intercambian calor y masa. Implica
la transferencia de un l�quido procedente de un s�lido h�medo a una fase gaseosa
no saturada. Incluye una operaci�n energ�tica elemental y representa una de las
acciones t�rmicas b�sicas en la industria de procesos y agro-alimentaria.
El secado o deshidrataci�n de alimentos se usa como t�cnica de preservaci�n
pues los microorganismos que provocan la descomposici�n de los alimentos no
pueden crecer y desarrollarse en ausencia de agua.
Una de las maneras mas simples para
lograr el secado (de alimentos o cualquier
material) es exponer el material h�medo a una
corriente de aire con determinadas
condiciones de temperatura, humedad y
velocidad. Entre mas seco y mas caliente est�
el aire, mayor ser� la velocidad de secado. El
calor se a�ade por contacto directo del
producto a secar con aire caliente a presi�n
atmosf�rica y el vapor de agua formado se
elimina por medio del mismo aire (Figura
12.1). Existen otros procesos de secado m�s
complicados como el secado al vac�o o por congelaci�n. En el secado al vac�o la
evaporaci�n del agua se verifica con mayor rapidez y el calor se a�ade
indirectamente por contacto con una pared met�lica o por radiaci�n; en el secado
por congelaci�n el agua se sublima, pasando directamente del material congelado al
aire.
El contenido de humedad, es decir, la cantidad de agua evaporable existente en
un producto, se expresa en relaci�n a su masa total o a su masa seca (esto es sin
contar la masa de agua evaporable que contiene). As� se definen:
Contenido de Humedad en Base H�meda, M:
Contenido de Humedad en Base Seca, X:
donde: m: masa total del producto
ms: masa seca del producto
La relaci�n entre las dos ecuaciones anteriores es,
Existen diferentes m�todos para medir el contenido de humedad de un
producto. La determinaci�n directa del contenido de humedad implica medir la
masa del producto y la masa seca correspondiente. Para medir la masa seca de un
alimento generalmente se le somete a 104�C, hasta que llegue a un peso constante.
En el caso de productos que se descomponen por efecto de altas temperaturas,
�stos se secan poni�ndolos en una estufa de vac�o a 60�C y a una presi�n mayor de
700 Pa, hasta que lleguen a un peso constante.
Al igual que en otros procesos de transferencia, como la transferencia de masa, el
proceso de secado de materiales debe considerarse desde el punto de vista de las
relaciones de equilibrio y de las de velocidad.Una variable importante en el
secado de materiales es la humedad del aire en contacto con un s�lido de
determinada humedad. Sup�ngase que a un s�lido h�medo se le aplica una
corriente de aire con humedad y temperatura constantes. Sup�ngase, tambi�n,
que se usa una gran cantidad de aire, por lo que las condiciones permanecen
invariables.
Despu�s de haber expuesto el s�lido por tiempo suficiente para alcanzar el
equilibrio, llegar� un momento en que �ste tendr� un contenido de humedad
definido. A este valor se le conoce como contenido de humedad de equilibrio del
material, bajo las condiciones espec�ficas de humedad y temperatura del aire.
(Figura 13.2). Si el material contiene m�s humedad que su valor de equilibrio en
contacto con un gas a determinada humedad y temperatura, se secar� hasta
alcanzar su valor de equilibrio. Si el material
contiene menos humedad que su valor de
equilibrio, absorber� agua hasta alcanzar
dicho valor de equilibrio.
No es posible predecir el contenido de
humedad de equilibrio de diversos materiales,
por lo que se hace necesario determinarlo por
v�as experimentales. De la misma manera, en
muchos casos resulta indispensable obtener
algunas mediciones experimentales de las
velocidades de secado.
En la figura 12.3 se muestra la curva de
velocidad de secado para condiciones de
secado constante. Si se empieza con un
tiempo cero, el contenido inicial de humedad
libre corresponde al punto A. Al principio,
el s�lido suele estar a una temperatura
inferior a la que tendr� al final y la velocidad
de evaporaci�n ir� en aumento.
Al llegar al punto B, la temperatura de la superficie alcanza su valor de
equilibrio. Este per�odo inicial de ajuste con estado inestable suele ser bastante
corto y generalmente se ignora en el an�lisis de los tiempos de secado. La curva
de la figura es recta entre los puntos B y C, por lo que la pendiente y la
velocidad son constantes durante este per�odo. A esta zona se le conoce como
regi�n de velocidad de secado constante. En el punto C de la gr�fica, la velocidad
de secado comienza a disminuir durante el per�odo de velocidad decreciente, hasta
llegar al punto D. Finalmente, en el punto D, la velocidad de secado disminuye
con m�s rapidez a�n, hasta que llega al punto E, donde ya no es apreciable.
Durante el primer per�odo de secado la superficie de s�lido est� muy mojada
y sobre ella existe una pel�cula de agua (Figura 12.4 (a)). Esta capa de agua,
llamada humedad no ligada, est� siempre sin combinar y act�a como si el s�lido no
estuviera presente. Si el s�lido es poroso, la mayor parte del agua que se evapora
durante el per�odo de velocidad constante proviene del interior del s�lido. Este
per�odo continuar� mientras el agua siga llegando a la superficie con la misma
rapidez con la que se evapora.
El punto C de la gr�fica corresponde a
la situaci�n en la cual no hay suficiente agua
en la superficie para mantener una pel�cula
continua. La superficie ya no est� totalmente
mojada, y la porci�n mojada comienza a
disminuir durante este per�odo de velocidad
decreciente hasta que la superficie queda
seca en su totalidad en el
punto D.
El segundo per�odo de velocidad
decreciente empieza en el punto D. El plano
de evaporaci�n comienza a desplazarse con
lentitud por debajo de la superficie (Figura 12.4 (b)) El calor para la evaporaci�n
se transfiere a trav�s del s�lido hasta la zona de vaporizaci�n. El agua
vaporizada atraviesa el s�lido para llegar hasta la corriente de aire. Es posible
que la cantidad de humedad que se elimina durante el per�odo de velocidad
decreciente sea peque�a; no obstante, el tiempo requerido puede ser bastante
largo.
Los dos elementos b�sicos de un secador solar son: el colector, donde la radiaci�n
calienta el aire y la c�mara de secado, donde el producto es deshidratado por el
aire que pasa. Estos elementos pueden dise�arse de diferentes formas para
integrarse a diferentes equipos de secado solar: Secador solar indirecto: Los dos elementos est�n separados. El aire es
calentado en el colector y la radiaci�n no incide sobre el producto colocado en la
c�mara de secado. La c�mara de secado no permite la entrada de la radiaci�n
solar. Este secador es esencialmente un secador convectivo convencional en que
el sol act�a de fuente energ�tica. Secador solar directo: Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la
c�mara que contiene el producto tambi�n cumple la funci�n de colector recibiendo
la radiaci�n solar. Secador solar mixto: Finalmente puede darse el caso en que la colecci�n de
radiaci�n se realice tanto en un colector solar previo a la c�mara como en la misma
c�mara.
El Secador solar indirecto presenta varias ventajas. En primer lugar el
control del proceso es m�s simple (sobre todo en el caso de secadores con
circulaci�n forzada de aire). Es f�cil de integrar una fuente auxiliar de energ�a
para construir un sistema h�brido. El tener una c�mara de secado separada de los
colectores facilita la manipulaci�n del producto y las labores de carga y descarga.
Dado que la c�mara no permite la entrada de la radici�n solar, este sistema permite
secar en forma conveniente productos que se puedan da�ar o perder calidad de
aspecto por una exposici�n directa al sol. Para productos a granel
(principalmente granos en silos) si se contempla el secado solar, el sistema a
emplear es el de un secador indirecto.
Una desventaja de este tipo de secadores es el hecho de que al separar la
funci�n colecci�n de energ�a solar, el tama�o del equipo y sus costos aumentan.
Una segunda desventaja es que para evaporar la misma cantidad de agua se
necesita mover m�s kilogramos de aire a mayor temperatura que en el caso de los
secadores directos o mixtos.
En los secadores solares directos la radiaci�n solar es absorbida por el
propio producto, resultando m�s efectivo el aprovechamiento de la energ�a para
producir la evaporaci�n del agua. Esto se debe a que la presi�n de vapor en la
superficie del producto crece por la absorci�n de radiaci�n solar. Por lo tanto el
gradiente de presiones de vapor entre producto y aire se hace mayor y se acelera
el secado.
La combinaci�n de colector y c�mara en una sola unidad puede ser m�s
econ�mica en muchos casos, especialmente en los secadores de menor tama�o.
Este tipo de secadores es casi siempre con circulaci�n de aire por
convecci�n natural. Esto hace que a veces el control del proceso sea poco
confiable. Para algunos productos la acci�n de la radiaci�n solar puede destruir
alg�n compuesto org�nico que lo compone y que tiene inter�s comercial.
El aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del
producto. Esta circulaci�n se logra por diversos m�todos:
Circulaci�n forzada: El aire es movido por un ventilador que consume
energ�a mec�nica o el�ctrica.
Circulaci�n por convecci�n natural: El aire es movido por las diferencias
de temperatura entre las distintas partes del equipo, que promueven la
convecci�n t�rmica del aire. No se necesita energ�a externa. El uso de chimeneas
constituye un caso particular de convecci�n natural.
La circulaci�n por convecci�n natural permite el funcionamiento del equipo
en zonas sin suministro local de energ�a el�ctrica. Este tipo de circulaci�n se hace
m�s dif�cil de incorporar cuando el equipo crece en tama�o. Para equipos
peque�os o medianos se pueden lograr velocidades de aire de 0.4 a 1 m/s al
interior de la c�mara, pero en equipos grandes esta velocidad no sobrepasa los
0.1 a 0.3 m/s.
La circulaci�n forzada facilita el dise�o en el caso de los equipos de mayor
tama�o. Este tipo de circulaci�n tambi�n facilita el control del proceso de secado.
La circulaci�n forzada permite mayor libertad en la colocaci�n de los diversos
elementos que integran el equipo. Usando este tipo de circulaci�n se pueden
obtener velocidades de circulaci�n de aire entre 0.5 a 1 m/s y no hay problemas
de circulaci�n de aire para equipos de tama�o mayor.
La principal desventaja de la circulaci�n forzada es el hecho de que se debe
disponer de una fuente de energ�a el�ctrica.
La forma de operar un secador da lugar a dos alternativas:
Secado en tandas: El producto es cargado en una sola tanda y la misma no
se retira hasta que est� completamente seca. Todo el producto dentro del secador
va pasando de un estado h�medo a un estado seco en forma paulatina. Permite un
dise�o m�s sencillo del proceso de carga y movimiento del producto dentro del
equipo, por lo que resulta apropiado en secadores peque�os y medianos.
Secado continuo: El producto se va cargando y descargando en tandas
parciales. Dentro del mismo secador se encuentra una parte de producto h�medo
y otra casi seca. El per�odo entre cargas de las tandas var�a de acuerdo al
dise�o. En algunos casos la carga y descarga parcial se realiza una vez por d�a.
En otros casos se puede llevar a cabo varias veces en el mismo d�a.
La capacidad de producci�n se define en relaci�n al peso del producto fresco total
que se carga. En general, cada tipo de secador solar tiene un funcionamiento m�s
apropiado en cierto rango de capacidad de producci�n. La tabla 12.1 muestra los
rangos de capacidades aceptados con fines comparativos.
En esta parte se describir�n algunos de los tipos de secadores solares m�s
comunes.
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Directo
Circulaci�n de aire.......................Acci�n del viento
Forma de operaci�n.....................En tanda
Capacidad de producci�n..............Baja o mediana
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Directo
Circulaci�n de aire.......................Convecci�n natural
Forma de operaci�n.....................En tanda
Capacidad de producci�n..............Peque�a o baja
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Indirecto
Circulaci�n de aire......................Convecci�n Natural
Forma de operaci�n.....................En tanda
Capacidad de producci�n..............Baja o media
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Indirecto
Circulaci�n de aire.......................Forzada
Forma de operaci�n......................En tanda
Capacidad de producci�n..............Media a alta
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Directo
Circulaci�n de aire.......................Convecci�n Natural
Forma de operaci�n.....................En tanda
Capacidad de producci�n..............Baja o mediana
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Mixto o indirecto
Circulaci�n de aire.......................Convecci�n forzada
Forma de operaci�n.....................En tanda
Capacidad de producci�n..............Mediana
Caracter�sticas:
Modo de calentamiento................Mixto o indirecto
Circulaci�n de aire.......................Convecci�n forzada
Forma de operaci�n.....................Cont�nua
Capacidad de producci�n..............Mediana o alta
