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

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Silvia Fidalgo Barbero
hace 7 años
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Impacto de los procesos de producción y elaboración de arroz en la calidad

1 Determinación del uso energético y la eficiencia energética durante el secado en secadoras comerciales Alejandra Billiris y Terry Siebenmorgen Impacto de los procesos de producción y elaboración de arroz en la calidad molinera y sensorial, últimas investigaciones Montevideo, Uruguay 10 de octubre de 2013

Objetivo Determinar los requerimientos energéticos y la eficiencia energética de secadoras comerciales de flujo cruzado utilizando requerimientos

2 Objetivo Determinar los requerimientos energéticos y la eficiencia energética de secadoras comerciales de flujo cruzado utilizando requerimientos energéticos teóricos como línea base de comparación. η = E E Teo Med Energía teórica Energía medida η es la eficiencia energética del proceso de secado

3 Estadíos del proyecto Requerimientos energéticos teóricos Requerimientos energéticos medidos (Industrial) Requerimientos energéticos medidos (Productor)

4 Determinación de los requerimientos energéticos teóricos Ecuación de presión de vapor de Clausius-Clapeyron Curvas de desorción de arroz Humedad de equilibrio, % Humedad relativa de equilibrio, %

5 Energía teórica para secar arroz 2700 Temperatura (T): 40 C Contenido de humedad final (H f ):12,5% 12,5% 18,0% 12,5% Energía teórica, kj/kg agua E Teo = ( H 24.2 f 2,5 )( ) 4.0 ( i H T H i H f e e 40 C 18,0% ) Contenido de humedad inicial (H i ), % base húmeda

6 Energía teórica, kj/kg agua Efecto del tipo de grano en la energía teórica Temperatura (T): 40 C Contenido de humedad final (H f ):12,5% Grano largo Parboiled Grano medio Contenido de humedad inicial (H i ), % base húmeda

7 Estadíos del proyecto Requerimientos enrgéticos teóricos Requerimientos energéticos medidos (Industrial) Requerimientos energéticos medidos (Productor)

8 Secadora Silos para reposo Secadora industrial Corning, Arkansas

9 Diagrama secadora industrial Arroz húmedo Plenum Columna de secado Columna de secado Ventilador Arroz seco Quemador

10 Línea de simetría Configuración secadora industrial Arroz húmedo Plenum Salida de aire Trayectoria del aire de secado Trayectoria del arroz Columna de secado Energía térmica Calentar el aire de secado Mallas Energía eléctrica Forzar el aire hacia la secadora Arroz seco Quemador Ventilador Aire ambiente

11 Mediciones Arroz húmedo GM AMP Medidor de gas (volumen de gas utilizado) Amperímetro (corriente) Plenum Zonas de muestreo a la entrada y salida de la secadora para determinación de humedad 14 m Columna de secado Ventilador Quemador Arroz seco GM AMP

12 Medidor de humedad (Infratec)

13 Requerimientos energéticos térmicos por paso (E térmica ) Mediciones Contenido de humedad inicial (H i ) Contenido de humedad final (H f ) Masa inicial de arroz húmedo Medidor de humedad Balanza Masa de agua removida (m a ) Volumen de gas natural utilizado (V) Medidor de gas E térmica = V CC CC es el calor de combustión (37,260 kj/m 3 ) m a m a es la masa de agua removida durante cada corrida

14 Requerimientos energéticos eléctricos por paso Se registró la intensidad de la corriente consumida por el ventilador cada 15 minutos y se calculó la corriente promedio utilizada durante cada corrida Se calculó la potencia promedio consumida por el ventilador: P = V I 3 P es la potencia promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en Watts V es el voltaje en volts ~ 480 V I es la corriente promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en amperes Se calculó la energía eléctrica consumida: E elec = P tiempo

15 Mediciones de las condiciones ambientales y de secado Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del aire de secado Plenum 1/3 Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del ambiente 1/3 1/3 Ventilador Quemador

16 Prueba Humedad cosecha, % Pruebas de secado Primer C Temperaturas en cada paso (T as /T a ) Segundo C Zafra: Setiembre Octubre 2011 Tercer C Cuarto C 1 20,4 68/23 58/23 53/22 37/ ,0 65/18 54/25 38/ ,4 70/23 59/12 38/ ,4.... Zafra: Julio - Octubre ,5 54/23 39/ ,3 68/20 61/18 20/ ,4 60/25 35/11 15/15. T as es temperatura del aire de secado T a es temperatura ambiente

17 Energía, kj/kg agua ,4 Consumo energético por prueba H i, % Energía térmica Energía teórica Energía eléctrica 19,4 15,5 15,4 18,3 19,0 19, η térmica = 28% Prueba

18 Varios factores incluyendo, la temperatura del aire de secado, la temperatura ambiente y la humedad del arroz afectan los requirimientos energéticos durante el secado. Se utilizó un análisis de regresión múltiple para predecir los requerimientos energéticos durante el secado

19 Selección de variables Las temperaturas ambiente y de secado afectan los requerimientos energéticos simultáneamente La diferencia entre la temperatura del aire de secado y la temperatura ambiente (T as -T a ) podría ser un factor importante afectando los requerimientos energéticos Representa la cantidad de energía necesaria para calentar el aire ambiente hasta la temperatura de secado

20 Selección de variables cont. La humedad inicial y final afectan los requerimientos energéticos La cantidad de agua removida por masa de materia seca de arroz (m a /ms) podría ser otro factor relevante Caracteriza el arroz, dado que involucra la humedad inicial y final del arroz

Ecuaciones E m ms a térmica = 250 ( Tas Ta ) 432.723 + 6.

21 Ecuaciones E m ms a térmica = 250 ( Tas Ta ) R 2 = 0,65 Otros factores como la temperatura de entrada del arroz y el grado de saturación del aire de salida podrían ser responsables de la variabilidad no explicada en E térmica m ms a ηtérmica = 1,01( Tas Ta ) , 8 R 2 = 0.74

22 Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~12,5% 2.5 Precio gas natural: $3/1.000 ft 3 ($3/millón Btu) Costo, $/ton de arroz Contenido de humedad inicial de cada prueba, % base húmeda

23 Estadíos del proyecto Requerimientos enrgéticos teóricos Requerimientos energéticos medidos (Industrial) Requerimientos energéticos medidos (Productor)

24 Silos precalentamiento/ reposo Drying system Silos para almacenamiento Secadora

25 Diagrama de flujo Cosecha Precalentamiento Secado 1 er paso Reposo Secado 2 do paso Reposo Aeración

26 Arroz húmedo: entrada Precalentamiento Columna de secado Ventilador Quemador Arroz seco: salida

27 Entrada de arroz S S Sensor para temperatura y humedad de arroz Entrada de aire GM Medidor de gas (volumen de gas utilizado) GM Ventilador S Salida de arroz Vista de perfil

28 Prueba Pruebas de secado (CL XL745) Número de pasos H i (cosecha) Zafra: Setiembre Octubre 2011 Temperaturas en cada paso (T as /T a ) Primer Segundo C C ,7 56/23 49/ ,6 49/ ,6 48/ ,9 50/27 46/ ,0 45/20 48/17 Zafra: Julio Octubre ,6 52/19 43/ ,2 49/9.0 44/ ,4 44/22. H i es el contenido de humedad inicial del arroz T as es la temperatura del aire de secado T a es la temperatura del aire ambiente

29 Contenido de humedad inicial, % Contenido de humedad final, % Medidas de contenido de humedad Prueba Prueba Contenido de humedad en la cosecha Luego del precalentamiento Luego del reposo Salida de la secadora

30 Resultados

31 Consumo energético por prueba 7000 Energía térmica Energía, kj/kg agua removida H i 22% 19% 17% 19% 21% 18% Energía teórica 18% 17% Prueba η=90% η=43%

32 Requerimientos energéticos por paso (2011) ,7% Primer paso Segundo paso Energía, kj/kg agua removida H i 21,7% 18,6% 16,6% 18,9% 15,4% 21,0% 16,4% C 16 C 18 C 29 C 27 C 14 C 20 C 17 C Temperatura ambiente Prueba Baja eficiencia energética parece estar relacionada con las bajas temperaturas nocturnas

33 Ecuaciones E m ms a térmica = 215 ( Tas Ta ) 54, , 048 R 2 = 0,79 m ms a ηtérmica = 2.44( Tas Ta ) R 2 = 0,71

Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~13% Costo, $/ton arroz 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Precio propano: $2/gal

34 Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~13% Costo, $/ton arroz Precio propano: $2/gal de líquido ($11/millón Btu ) Contenido de humedad inicial en cada prueba, % w.b.

Resumen Los requerimientos energéticos para secar arroz variaron desde 7.200 hasta 11.100 kj/kg de agua removida para la secadora industrial y desde 2.840 hasta 5.

35 Resumen Los requerimientos energéticos para secar arroz variaron desde hasta kj/kg de agua removida para la secadora industrial y desde hasta kj/kg de agua removida para la secadora a nivel productor La eficiencia energética varió desde 25 hasta 35% para la secadora industrial y desde 44 hasta 90% para la secadora a nivel productor La temperatura ambiente, la temperatura de secado y el contenido de humedad del arroz afectaron los requerimientos energéticos durante el secado Las ecuaciones desarrolladas podrían ser usadas para evaluar las condiciones de secado que llevan a ahorrar energía

36 Resumen cont. Ajustar el calendario de secado de modo de aprovechar las altas temperaturas durante el día podría conducir a ahorro energético Es posible que el precalentamiento conduzca a ahorro energético

37 Gracias

38 Predicción de los requerimientos energéticos Energía térmica, kj/kg agua = m a /ms Típico primer paso T as -T a, C

39 Predicción de los requerimientos energéticos Energy thermal, kj/kg agua = m a /ms Típico tercer paso = m a /ms Típico segundo paso = m a /ms Típico primer paso T as -T a, C

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