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Secado a Alta Temperatura:Alta Capacidad de Secado
INTA
Grupo POSCOSECHA
Ing. Agr. (PhD) Ricardo Enrique Bartosik
Ing. Agr. (PhD) Juan Carlos Rodríguez
Secadoras Continuas
Flujo Cruzado Flujo Mixto Columnas Flujo Mixto
Secadoras ContinuasDirección del flujo del aire y del grano en la secadora tienen efectos
importantes en:
• Capacidad de secado
• Eficiencia energética
• Temperatura del grano
• Calidad del grano
EEUU y Canadá = flujo cruzado
Europa = flujo mixto
Argentina = flujo cruzado y flujo mixto
Flujo Concurrente = EEUU (alta inversión, granos con alto valor agregado)
Secadoras Continuas
• Generalmente poseen dos secciones:– Secado >>2/3 de la secadora
– Enfriado >>1/3 (pueden modificarse y funcionar “todo calor”)
• La función de la sección de enfriado es enfriar el grano de 3-6 ºC por encima de la temperatura ambiente
• El grano puede perder entre 0.5 y 1 % de humedad en la sección de enfriado
Secadoras Continuas
• Alto flujo de aire: 75 a 125 m3/min/t
• Presión estática relativamente baja: 0.249-1.25 kPa (25-130 mm de agua)
• Potencia de ventiladores relativamente grande
• Capacidad del quemador relacionada al caudal de aire y a la temperatura de secado
• Consumo de combustible depende del tipo de combustible (energía disponible en el combustible) y de la eficiencia de conversión del combustible en calor
Secadoras de Columnas
Flujo Cruzado
Secadora de Columnas
+
Ventilador
Rosca de
entrada
Columna de Grano
Ventiladory
Quemador
Tolva de Húmedo
Plenum de Aire
Caliente
Plenum de Aire
Frío
Rosca de
Descarga
Medidor
De grano
+
Secadoras de Caballetes
Flujo Mixto
Secadora de
Caballetes
Secadora de Caballetes
Secadora Columnas-Flujo
Mixto
Secadoras de Columnas con Flujo Mixto
Secadoras de Flujo
Concurrente
El Secado de Granos Requiere
• Energía
• Aire
• Tiempo
Cuanto Mas Alta es la Temperatura del Aire de Secado
El proceso de secado será:
… más rápido y
… más eficiente
0 38 65 93 121 150
Ener
gía,
BTU
/lb
de
Agu
a (1
00
0)
Flujo de Aire
Secadora de Flujo CruzadoMaíz de 25 a 15%
Temperatura de Secado y Capacidad de la Secadora
Temperatura del Aire, ºC
Como Determinar la
Capacidad de Secado
Capacidad de Secado• Se expresa en t por h para bajar la H° del grano en:3 puntos (17 a 14 % trigo Arg.) (5-10 ptos. maíz, en USA)
• Depende de:– Humedad inicial del grano– Temperatura de secado– Caudales de aire de secado y enfriado– Tiempo de residencia del grano en la secadora– Condiciones ambientales– Producto a secar– Tamaño, tipo y estado de mantenimiento de la
secadora
Capacidad de Secado• Por marketing, generalmente la capacidad de
secado que se publica es la que se puede obtener bajo condiciones ideales (rara vez ocurren).
• Una estimación de la capacidad de secado mas realista es aproximadamente de 70 a 80 % de los valores publicados.
• Las secadoras se pueden testear– Norma ISO 11520-1:1997 “Secadoras de granos-
Determinación de la performance de secado-Parte 2: Procedimientos adicionales y requerimientos específicos por cultivos”
Efecto del Hibrido en la
Capacidad de Secado
Comparación entre un hibrido de alta
con uno de baja capacidad de secado
+18%
Drying Times for Soybean Varieties (Giner 1995)
0 20 40 60 80 100 120 140
Torcaza 63
Tancacha INTA
OFPEC Juan Fe
OFPEC 627
Norking 641
Mitchell
Martineta 50
Inriville INTA
Hood SCA
Hood 75
Federada 1 INTA
Farnailla 841
Farnailla 837
Deltapine 345
Crawford
Copetona 53
Coker 237
Bragg SC
Bigua 54
Asgrow 6381
Asgrow 5502
Asgrow 5306
Asgrow 3127
Minutes
Series2Soja secada de 22 a 13% a 60ºC
+55%
Fuente: Giner, 1995
Tiempo de secado para distintas variedades de soja
Como Mejorar La Eficiencia
de Secado
(Un tema al que se vuelve cada
vez que los precios de los
combustibles aumentan)
Eficiencia de Secado
• Se define como la cantidad de energía
requerida por kilogramo de agua evaporada
durante el proceso de secado
• Depende de:
– Diseño de la secadora
– Cantidad de humedad removida
– Condiciones climáticas
Eficiencia de Secado
• Eficiencia de secado para secadoras de alta capacidad esta en el rango de 3.48 a 10.45 mJ/kg
• Para evaporar 1 kg de agua libre se requieren de 2.09 a 2.55 mJ/kg
• Evaporar agua de granos en condiciones ideales requeriría entre 2.55 a 3.02 mJ/kg
• Minimizar costos de secado = Maximizar eficiencia de secado
adaAguaEvapor
bustibleEnergiaComeCombustiblSecadoEf
*_
Como Mejorar la Eficiencia de Secado
• Asegurarse que todo el calor generado se utiliza en evaporar agua del grano– Aislamiento térmico de la secadora
• Útil en regiones frías
– Temperatura diferencial– Recuperación de calor
• Recirculación del aire caliente no saturado• Enfriado con flujo de aire revertido (columnas)
– Implementar sistemas de secado combinados
Temperatura Diferencial
Grano Húmedo
Grano mas seco
Alta
temperatura de
secado
Baja
temperatura de
secado
Aire Saturado
Aire No Saturado
Aire
Saturado
Aire
Menos
Saturado
Recirculación con recuperación de calor
Recirculación del aire
Aire frío y
húmedo
(saturado)
Aire caliente y
seco
(no saturado)
Grano húmedo
Grano menos
húmedo
Recuperación de Calor en el
Enfriado• Enfriado con flujo
de aire revertido
• Recupera parte del calor
• Reduce el estrés térmico del grano
• Reduce granos fisurados
Secadoras de Flujo Cruzado
Temperatura del Aire de Secado (C°)
Flujo del Aire (m
3/min/m
3)
Gradiente de Humedad (%)
Consumo de Energía Específica (MJ/kg de
H2O Evaporada)
Evaporar Agua Pura a 100 °C (MJ/kg de H2O
Evaporada)
Convencional 68 42 5 6,9
2,45Cambio de
Dirección del Flujo de Aire + Recirculación
65 58 1,3 4,9
42,3 %
Convencional Cambio de Dirección del Flujo de Aire + Recirculación
Fuente: Pierce &Thompson (1981)
Secado y Calidad del Grano
Problema:
A mayor temperatura de secado = mayor capacidadPero…
Menor calidad de grano
Temperatura del Grano I
• La máxima temperatura que alcanza el grano durante el proceso de secado es el principal factor que puede afectar la calidad del grano!!!!
Temperatura del aire de secado ≠ Temperatura del grano
• Altas temperaturas del grano pueden causar:– Reducción del contenido de proteína disponible
– Incremento de granos figurados (maíz y arroz)
– Arrugado de la superficie del grano
– …
Temperatura del Grano II
• …– Reducción del rendimiento de “grits” y harinas en la
molienda seca de maíz
– Reducción del rendimiento de almidón en la molienda húmeda de maíz
– Reducción del rendimiento y la calidad de aceites de oleaginosas
– Reducción de la calidad panadera del trigo
– Reducción de la viabilidad de la cebada y semillas en general
Granos Fisurados
Susceptibilidad a la Rotura (Granos Fisurados)
Daño interno:• Micro fisuras en el endosperma
que resultan en granos frágiles y partidos
• Excesivas fuerzas de compresión o tensión durante el secado, enfriado o rehidratado del grano
• Secado seguido de enfriamiento brusco
CeroSimpleDobleMúltiple
Granos Fisurados
vs. Método de Secado
0
20
40
60
80
Low-T
emp
Bat
ch, 1
13F
Bat
ch, 1
40F
Bat
ch, 1
76F
Dryer
a., 1
40F
Dryer
a., 1
76F
Dryer
a., 2
12F
(Fuente: Brown et al., 1979)
En silo a baja
temperaturaAlta temperatura
(Columnas)
Seca-aireación
A mayor
temperatura,
mayor porcentaje
de granos
fisurados
Efecto de la Remoción de
Humedad en Granos Fisurados
0%
10%
20%
30%
40%
11% 13% 15% 18%Humedad Final
Fisurados
Secadora Ninguna (%) Simple (%) Doble (%) Múltiple (%) Total (%)
Columnas 11.3 3.4 38.6 45.8 87.8
FCC 47.6 5.8 27.1 19.7 52.6
Caballetes 32.0 8.0 32.5 25.0 65.5
Granos de maíz fisurados después de secados en secadoras
comerciales de columnas, flujo concurrente y caballetes
(Fuente: Montross et al. 1994)
Efecto de la Temperatura de Secado
en la Calidad Panadera del Trigo
La temperatura del grano es
muy difícil de controlar porque
es diferente a la temperatura
de secado
Temperatura del Aire vs. Temperatura del Grano en una
Secadora de Flujo Mixto (Foster,1964)
Temperatura (°C)
Aire 60 88 115 143
Grano 49 65 77 93
Dif. 11 23 38 53
Tipo de Grano – Uso Final – Máxima
Temperatura de Grano
Maíz Semilla & Molienda Seca 38-43ºC
Molienda Húmeda 54-60
Balanceado 71-82
Trigo Semilla (> 24%) 43
Semilla (< 24%) 49
Harina 49-65
Soja Semilla 38
Extracción Aceite 49
Girasol Alimento 60-77
Extracción Aceite 77-90
Máxima Tasa de Secado
Grano Perdida Humedad %
Maíz, Sorgo, Girasol Menos de 5% / hora
Trigo Menos de 4% / hora
Soja Menos de 3% / hora
Arroz Menos de 2% / hora
Problema:
Variabilidad en la
Temperatura y Humedad del Grano dentro de la Secadora
Temperatura del Grano: Secadoras
de Columnas• En las secadoras
de columnas se produce un importante gradiente de temperatura y humedad del grano a través de la columna
• Ancho de Columna:– Columna ancha
>> mayor eficiencia y mayor gradiente
Flujo del
grano
Grano Caliente
y Sobresecado
Grano Frío y
Húmedo
Grano a la humedad
deseada
Aire
Caliente
y Seco
Aire Frío
y
Húmedo
Gradiente
Secadora de Columnas Maíz de 25 a 19% - Temp. 110ºC
Distancia Temperatura Contenido GranosDe la entrada Grano Humedad Fisurados
Centímetros °C % %
1.3 102 10 48
7.6 78 20 11
14 51 24 10
Secadoras de Columnas
Modificadas
Inversión del flujo de aire
•Dos módulos de secado:
•Flujo de aire se invierte en
el segundo modulo
•Reduce el gradiente de
temperatura
•Reduce el gradiente de
humedad (hasta 3.5
puntos)
Aire
Caliente
y Seco
Aire
Caliente
y Seco
Aire Frío
y
Húmedo
Aire Frío
y
Húmedo
Menor gradiente
Secadoras de Columnas
Modificadas
Inversión de la columna de
grano
•Dos módulos de secado:
•La columna de grano se
invierte
•Reduce el gradiente de
temperatura
•Reduce el gradiente de
humedad
Aire
Caliente
y Seco
Aire
Caliente
y Seco
Aire Frío
y
Húmedo
Aire Frío
y
Húmedo
Menor gradiente
Inversión
de columna
Secadoras de Columnas
ModificadasDescarga diferencial
• La parte de la columna que se seca mas rápidamente se descarga también mas rápido
• Mejora fundamentalmente el gradiente de humedad
Aire
Caliente
y Seco
Aire Frío
y
Húmedo
Secadoras de Columnas
Modificadas• Se pueden poner en práctica una o mas
modificaciones a la vez
• Sin embargo en las secadoras de
columnas siempre habrá gradiente de
temperatura, humedad y calidad del grano
Secadoras de Caballetes
• Las secadoras de caballetes (flujo mixto) producen un secado mas uniforme del grano:
– Menor gradiente de humedad, temperatura y calidad del grano
Problema:
Alta Variabilidad en la Humedad Inicial
Distribución de la Humedad del
Grano en la Espiga de Maíz
Espiga Promedio Rango Des. Est.
Punta 18.1 13.0-25.0 3.08
Medio 25.0 13.5-33.5 4.40
Base 24.8 15.5-36.5 5.44
Promedio 24.8 15.5-34.0 4.47
Experimento: Humedad del Grano a la
Entrada de la Secadora
0
4
8
12
16
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
moisture content, %w.b.
perc
enta
ge of
ker
nels,
%
average MC=27.3%
SD=3.89%
SD = 3.89
Secadora Promedio
(%)Rango (%) Desvío Estándar
Ent Sal Ent Sal Ent Sal
Columnas 20.8 15.0 10.0 – 33.1 8.5 – 31.5 3.92 4.82
FCC 21.7 14.7 14.5 – 37.5 7.0 – 34.0 4.42 4.57
Caballetes 22.4 14.8 8.5 – 38.5 8.0 – 35.5 4.23 4.19
Humedad promedio, rango de humedad y desvío estándar de muestras de granos de maíz tomadas a la entrada y salida de secadoras comerciales de
columnas, flujo concurrente (FCC) y caballetes
(Fuente: Montross et al. 1994)
Problema:
Correcta Determinación del contenido de Humedad
Técnica de Capacitancia Eléctrica
Las lecturas de CH son afectadas por:
• Densidad de envasado
• Temperatura: NO pueden medir con precisión
cuando la temperatura de los granos supera los
33 °C, o cuando la diferencia entre la muestra y el
aparato es superior a 20°C.
• Distribución de la humedad dentro del grano y por
la presencia de cuerpos extraños en la muestra.
• Curvas y la CALIBRACIÓN.
Determinación del contenido de Humedad (CH) de los Granos
CH individual de los granos
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10
.0
10
.5
11
.0
11
.5
12.
0
12
.5
13
.0
13
.5
14
.0
14
.5
15
.0
15.
5
16
.0
16
.5
17.
0
17
.5
18
.0
18
.5
19.
0
19
.5
20
.0
20.
5
21
.0
21
.5
% d
e gr
ano
s
CH (%)
A1
A2
A3
B1
B2
B3
CH individual de los granos
0
10
20
30
40
50
60
70
801
0.0
10
.5
11
.0
11
.5
12
.0
12
.5
13
.0
13.
5
14
.0
14
.5
15
.0
15
.5
16
.0
16
.5
17.
0
17
.5
18
.0
18
.5
19
.0
19
.5
20
.0
20.
5
21
.0
21
.5
% d
e gr
ano
s
CH (%)
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Compensación de Temperatura
Grano Frío La humedad superficial condensada causa
lecturas altas en los medidores electrónicos
- Prevención: Equilibre la muestra en un contenedor sellado a
temperatura ambiente antes de la medición
Compensación de Temperatura
Grano Caliente Granos calientes y secos a la salida de la secadora que no
se han equilibrado todavía causan bajas lecturas en medidores electrónicos
- Prevención: Enfríe la muestra lentamente en un recipiente hermético
antes de la medición.
Enfríe la muestra rápidamente en un recipiente abierto.
Secado Combinado
Seca-Aireación
Enfriado en Silo
Secado
Enfriado
Secado
(Todo Calor)
Grano Frío y Seco
(listo para ser almacenado en un silo)Grano caliente (40-50ºC) y Húmedo
(1.5-3% por encima de Humedad Final)
Modificación
Seca-Aireación: Modificación de la Secadora
Secuencia del Proceso de Seca-
Aireación
Secado a
Todo Calor
Estabilización
(Tempering)
Enfriado y
Secado Final
Almacenaje
Final
Proceso de Secado
Aire de Secado
(Caliente y Seco)
Aire de Secado
(Frío y Húmedo)
Al calentarse evapora agua
El grano pierde agua desde afuera hacia
adentro
Aire de entrada
Aire de salida
Cuanto mas caliente y seco,
mas potencial de secado
Cuanto mas saturado, mas
eficiente el secado
Agua
Difusión
Proceso de Estabilización
(Tempering)Gradiente de Temperatura
Gradiente de Humedad
Alta
Temperatura
Baja
Temperatura
Alta
Humedad
Baja
Humedad
4-12 horas
Estabilización
Salida de la Secadora
Temperatura
Humedad
Reducción del Gradiente
Después de la
Estabilización
Seca-Aireacion: Enfriado y Secado
Final• El calor del grano se utiliza para
remover la humedad remanente (1.5-3%)
• Sistema de aireación bien dimensionado:– Buena distribución del aire– Suficiente caudal de aire
(0.5-0.75 m3/min/t)• Adecuado dimensionamiento de las
bocas de venteo y extractores de aire (problemas de condensación)
Efecto de la Estabilización en la Variabilidad de la Humedad y % de Granos Fisurados (A. Hebert, 2005)
S in g le K e rn e l M o is tu re T e s t 1
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
0 1 2 3 4 5 6
% M
C
H o u r 0
H o u r 1
H o u r 2
H o u r 3
H o u r 4
C ra c k Te s t
1 0 /2 9 /2 0 0 3
Cra
ck
2 .4 5 2 .3 9 1 .9 6 1 .4 0 1 .0 9
1 .3 0 1 .1 7 1 .2 6 1 .0 4 0 .8 7
H d.e.
F d.e.
Humedad de Grano - Tomadas sobre Granos Individuales
Fis
ura
do
sH
um
ed
ad
, %
Horas de Estabilización (Tempering)
Seca-Aireación: Beneficios
• Eliminación de la zona de enfriado de la secadora– Incrementa la capacidad de secado de la secadora (mas
volumen destinado a secado)
• Incremento de la temperatura del aire de secado sin sobrecalentar el grano– Disminuye el tiempo de residencia del grano en la secadora
(humedad del grano a la salida es > 15%)
• Estabilización (tempering) reduce variabilidad en la humedad final del grano y también reduce el porcentaje de granos fisurados.
• MEJOR CALIDAD DE GRANOS Y MENORES COSTOS DE SECADO
Seca-Aireación: Desafíos
• Requiere manejo mas ajustado
• Mayor inversión inicial
• Mayores beneficios en climas fríos
• Sistemas continuos: todavía no están bien desarrollados
Enfriado en Silo• Es una variación de la
seca-aireacion
• La secadora funciona a todo calor
• El grano sale de la secadora caliente y húmedo
• Se traslada a un silo y el enfriado comienza sin el periodo de estabilización
• No es tan eficiente como la seca-aireacion
Secado a
Todo Calor
Estabilización
(Tempering)Enfriado y
Secado Final
Control Automático de la
Secadora
Control Automático de la Secadora
Sensor de
Temperatura
Sensor de Humedad
Sensor de Temperatura
Control de la Secadora• Secadoras con control basado en la medición de la temperatura son
de importancia para el control de la temperatura del grano (no recomendados para humedad)
• Sirven fundamentalmente para preservar la calidad del grano –Semillas, Trigo
Control de la Secadora
• Secadoras con control basado en la medición de la humedad del grano va a ser un estándar del mercado– No puede solucionar el problema de la variabilidad de humedad en
los granos individuales
– Problemas: alta variabilidad de humedad de ingreso a la secadora, ubicación del sensor de humedad, limpieza del sensor y funcionamiento del sensor (no se puede controlar lo que no se puede medir)
• Sistemas de control basados en la calidad del grano no han sido aun comercializados (modelos matemáticos)– Se están realizando investigaciones para desarrollar controles para
secadoras basados en la temperatura de gelatinización del arroz (Universidad de Arkansas)
– También se están desarrollando modelos de desnaturalización de proteínas (trigo) y germinación para controlar procesos de secado
Innovaciones del Secado
• Modelos de simulación
• Permiten estudiar los diferentes factores que afectan los procesos de secado (temperatura, humedad inicial, caudal de aire, etc)
• Son especialmente útiles para buscar límites de funcionamientos y comparar situaciones
• Permiten evaluar numerosas alternativas de manera rápida y económica
http://inta.gob.ar/www.inta.gov.ar/poscosecha
www.facebook.com/poscosechadegranos
www.congresosilobolsa.com.arwww.cosechaypostcosecha.orgwww.agriculturadeprecision.orgsantajuliana.diego@inta.gob.ar
GRACIAS!!!!